1.2 三大结构

Python语言中有三大结构：循序、分支和循环。这三种结构分别适用于不同的情况，一个复杂的程序中常常同时包含这三种结构。

1.2.1 循序结构

说到“循序”这个词，我们第一个联想到的成语就是“循序渐进”。循序结构和它的名字一样，是按程序内语句的排列顺序运行程序的意思。在前面讲解变量时，我们所举的例子都是循序结构的。这也是Python中最简单的结构。

循序结构的运行过程如图1.7所示。

我们来看一段循序结构的程序吧。如果想让计算机输出我输入的数字的3倍，该怎么实现呢？先自己想想，再看下面的程序。

01 num=int（input（＂Enter a number: ＂））

02 result=num*3

03 print（result）

在这段程序中，第一行语句运行完之后，会进入第二行运行，然后再进入第三行。也就是说，排在前面的语句先运行。

1.2.2 分支结构

在Python中，分支结构只有一种：if语句及它的衍生语句。if语句是根据一条或多条语句的判定结果（True和False）来执行对应操作的语句，从而实现“分支”的效果。如上所述，if语句常常用于程序中的条件判断。

分支结构 if 语句的运行过程如图1.8所示。除了最基本的 if 语句，还有 if...else 语句和if...elif...else语句，它们可以实现更多的分支和更复杂的逻辑。

在if语句中，如果条件语句的值为True，那么执行一段程序；如果值为False，那么不执行这段程序，跳过它直接进入下面的程序。

在if...else语句中，如果条件为True，执行第一段程序，如果为False，执行第二段程序，然后再进入if语句下面的程序，如图1.9所示。

在 if...elif...else 语句中，如果第一个条件语句为True，则执行第一段程序然后直接进入 if后面的程序；如果第一个条件语句为False，则继续判断第二个条件语句。如果第二个条件语句为True，那么执行第二段程序；如果为False，则执行第三条语句，最后执行完毕，也进入 if后面的程序，如图1.10所示。

在了解分支结构if之后，还不能直接开始编写有关分支结构的程序。首先要探究条件语句的返回值，也就是它的判定结果：True和False。

1.2.3 条件判断

Python认定0或者null（空）为False，任意非0值或者任意非空值为True。这个判定结果也是一种变量—布尔型变量（boolean），它可以被定义或者返回。这种变量的值只有两种：True和False。换句话说，这种变量是用来存储对或错的变量。

我们来看一个例子。其中，bool函数可以把其他类型的变量转换为布尔型变量：

01 judge1=bool（1）

02 judge2=bool（＂String＂）

03 judge3=bool（＂＂）

04 judge4=bool（0）

05 print（judge1,judge2,judge3,judge4）

运行程序，输出结果为：

True True False False

接下来要了解的是如何在条件语句中检查是否相等，以及如何比较数字的大小。

在Python中，判断值是否相等使用“==”，也就是两个等号；判断值是否不相等使用“!=”，也就是一个感叹号和一个等号。

我们用程序来探究这两种语句的返回值：

01 num=5

02 string=＂Hello＂

03 print（num==5）

04 print（num!=5）

05 print（num==4）

06 print（string!=＂Hello＂）

运行这段程序，输出结果为：

True

False

False

False

这段程序中的第一个条件语句num==5的返回值是True，因为num的值确实与5相等；其他的语句都是不成立的，所以返回False。不仅仅是数字，其他类型的变量也可以使用是否相等和是否不相等来判断。

现在来比较数字的大小。

先看程序，自己思考一下可能的比较方法，再去看讲解吧！

01 year=2018

02 print（year > 2000）

03 print（year >=2003）

04 print（year < 2018）

05 print（year <=2018）

运行程序，输出结果为：

True

True

False

True

显而易见，“>”“>=”“<”“<=”分别对应大于、大于等于、小于、小于等于，和我们熟悉的数学比较一样。如果式子成立，那么返回值为True；如果不成立，那么返回值为False。

还可以将多条语句连接起来，从而达到一次性检查多个条件的效果。

先来看一段程序：

01 name=＂Lucas＂

02 judge=False

03 print（name.upper（）==＂LUCAS＂ and judge）

04 print（name.upper（）==＂LUCAS＂ or judge）

05 print（name==＂abc＂ or True）

运行程序，输出结果为：

False

True

True

在上一节中讲过，upper函数的作用是把字符串内所有的英文字符都转换为大写形式。所以，name.upper（）==＂LUCAS＂成立，返回的值是True。然而，由于and和or两种关键字的功能不一样，最终的结果也不一样。使用关键字and时，在a and b中，a和b两个值必须都是True，整条语句的值才能是True，只要有一个是False，那么整条语句就是False。而使用or时，在a or b中，只要有一个值是True，整条语句的值就是True，两个值都是False时才会返回False。所以，因为judge==False，所以第一条语句的输出是False，第二条语句的输出是True。相反，第三条语句的输出中尽管name和字符串＂abc＂并不相等，但因为or后面的第二个值是True，所以输出的值也是True。

在Python中，and和or可以叠加，并默认从左往右运算。就是说，a and b and c or d这条语句的默认运算顺序为（（（a and b）and c）or d）。如果想要更改顺序，比如想先判断c or d，那么可以加上括号来提高优先级。比如（a and b）and（c or d）就是先判断a and b和c or d，再把这两个结果用and进行判断。

1.2.4 应用分支结构

在1.2.2节中我们简略地了解了三种分支结构的功能和用法。在本节中，我们将根据几个问题，对if、if...else、if...elif...else进行实际运用。

输入出生年份，根据年份判断这个人是否成年（假设今年为2018年）：

01　 year=int（input（＂Enter the year you born: ＂））

02　 if　2018-year >=18:　　　　　　　#判断今年（2018）减去出生年份是否大于或等于18

03　　　 print（＂You are an adult this year!＂）

我们注意到，if语句的末尾有冒号，而print语句并没有与if语句对齐—它的前面有缩进。

冒号标志着if判断的结束，而if下方有缩进的代码是在True的条件下要运行的，可以有很多行，一直到缩进再次改变时运行才结束。我们把这一段缩进相同的代码称作代码块。整个程序的缩进方式必须一致，我们通常使用 Tab（按一下）或者空格（按四下）进行缩进。Python 对于缩进和复合语句结尾的冒号要求极其严格，如果弄错会报错。缩进的不同会大大影响一个程序的运行效果。

在这段程序中，print语句缩进了，所以print是if内部的代码块。所以，如果2018-year>=18为True，那么计算机会执行print语句；反之，如果这条语句的结果是False，那么程序将会直接跳过if结构内的代码，然后结束程序。

我们来看第二个问题：输入一个整数，让计算机判断它是偶数还是奇数，然后输出结果。先想想，用已经学过的语法来写该怎么做呢？

这个问题用if语句也可以实现：

01　 num=int（input（＂Enter a integer:＂））

02　 if num%2==0:　　　　　　　#如果num除以2余0

03　　　 print（＂Even number＂）

04　 if num%2==1:　　　　　　　#如果num除以2余1

05　　　 print（＂Odd number＂）

运行程序，若输入的数字被2除的余数为0则输出是偶数；若输入的数字被2除的余数为1则输出是奇数。

上面这段程序中用到了两个if语句，但实际上一共只有两种情况，如果余数不为0就是1。为了使程序的运行速度更快，编写起来更方便，可以用if...else语句：

01　 num=int（input（＂Enter a integer:＂））

02　 if num%2==0:　　　　　　　　#如果num除以2余0

03　　　 print（＂Even number＂）

04　 else:　　　　　　　　　　　　　#if的判定结果不是True时执行else

05　　　 print（＂Odd number＂）

这段程序和上一段程序的运行结果是一样的，但只需进行一次 if 判断，如果结果是 True就运行第一个代码块，如果是False就运行else里的第二个代码块。在同一个if...else语句中，关键词if和else应当有同样的缩进，而且都要以冒号结束。它们下面的代码块也应该有同样的缩进。

之前我们讲到了有两种分支时该如何编写程序，那么再来看本节最后一个问题：电影院规定，7岁以下儿童看电影免费，7岁到14岁的儿童半价，60岁及以上的老人也是半价，其他年龄的观众都是原价。如何才能输入一个人的年龄后判断他买票有什么优惠呢？（年龄小于0岁要输出错误提示。）

如果用学过的语法来做的话，要用到4个if语句。也就是说，就算在第一个if语句已经符合条件并打印出结果的情况下，也要继续进行剩余的判断。下面将要用到的if...elif...else语句就可以避免这种情况的发生并提高运行速度：

01　 age=int（input（＂Enter your age:＂））

02　 if age < 0:

03　　　 print（＂Error＂）

04　 elif age >=0 and age<7:

05　　　 print（＂Free＂）

06　 elif（age >=7 and age < 14）or age >=60:

07　　　 print（＂Half price＂）

08　 else:

09　　　 print（＂Full price＂）

elif就是else if的缩写，就是在else中再判断一个新的条件。elif可以无限叠加，直到你想要判断的条件全部判断完。从上往下运行，只要有一个条件符合（True），计算机就会执行这个if或elif里面的程序，随后跳出整条语句。

只有所有判断语句都不符（False）时，程序才会运行到最后的else那里。如果不用考虑全部不符合的情况，else是可省略的。

1.2.5 循环结构

循环结构是可以多次执行同一段代码的语句结构。在Python中有两种循环语句：while 语句和for语句。与Java和C不同，Python中没有do...while循环。

while 语句的结构如图1.11所示，在本次循环开始之前先对条件语句进行判断，如果条件语句的值为True则循环一次后再次进行判断。如果条件语句的值为False则循环结束。这里的条件语句和if中的条件语句是一样的。

正是由于 while 语句的这种特性，我们常常在不确定循环次数的时候使用它，或者把它写成死循环。此外，还可以用else在while循环条件为False时（此时循环结束）运行另一段代码。

for语句的结构如图1.12所示，从图中看它和while语句的结构相似，但其实它们的功能有很多不同。在for循环的开始，我们要提供一个范围，无论是一个数的大小范围还是一个列表；循环开始时，会用一个变量存储本次循环的值，每循环一次就更新一次这个变量的值。

当变量的值不在提供的范围内时，循环结束。for循环的这种特质，使得它成为我们要确定循环次数时的首选结构，它用于存储的变量也为我们编写程序提供了很多便利。

与分支结构相似，for循环也由关键字开头，用冒号结尾，内部的代码块也要有缩进。

1.2.6 continue和break

continue和break这两条语句经常出现在循环结构中，它们的作用是让程序跳出这一次循环或是整个循环。由于这种非正常退出循环通常要满足对应的条件，所以 continue 和 break 一般需要配合if语句使用。

看一下示例程序来了解如何使用continue语句：

01　 arr=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]

02　 for i in range（len（10））

03　　　 if arr[i]%5==0:

04　　　　　continue

05　　　 print（arr[i]）

运行程序，输出结果为：

1

2

3

4

6

7

8

9

我们发现，在列表中能被5整除的数都没有被输出。这证明循环运行到能被5整除的数时就停下并且退出这一次循环。

把continue换成break之后，再次运行整个程序：

01　 arr=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]

02　 for i in range（len（10））

03　　　 if arr[i]%5==0:

04　　　　　　　break

05　　　 print（arr[i]）

运行程序，输出结果为：

1

2

3

4

在列表中出现第一个能被5整除的数之后，break就跳出了整个循环，所以数组后面的几个数就不会被输出了。

1.2.7 应用循环结构

在简单认识了循环结构之后，本节将会把两种循环应用到实践中。

我们要做一个用于计算年龄的程序，让用户输入出生年份和今年的年份，相减得到他今年的年龄。但是，年龄不可能是负数，所以，如果出生年份大于今年的年份，要提醒用户输错了，并允许用户重新输入出生年份和今年的年份。

先自己想想该怎么做，再看正确答案：

运行程序，如果输入的出生年份一直大于今年，则计算机仍然执行 while 循环，会让用户一直重新输入，直到输入正确，随后执行else语句，然后结束。如果一开始的输入就正确，则不会执行while循环，直接进入else语句并输出结果。如果不想让while循环结束时再执行其他代码，可以删掉else语句。

接下来写一段计算一个数的阶乘的程序。数 n 的阶乘写作 n!，是这样计算的：n!=n×（n-1）×（n-2）×（n-3）×...3×2×1。让用户输入一个数（默认为正整数），然后输出它的阶乘，先自己想想这个问题用while循环该怎么实现，再看下面的例子：

在这段程序中，在while循环开始前先定义了两个变量：count和result。count用于计算次数，从1开始，每次循环都+1，记录本次循环为第几次。result用于存储计算结果，根据阶乘的计算方法，我们从1开始，一直连续乘到n，此时count=n，再加1后就大于n，此时跳出循环并输出结果。需要注意的是，代码中的“result*=count”和“count+=count”是“result=result*count”和“count=count+1”的简写。

在前面的内容中曾提到，在循环次数确定的情况下还可以使用 for 循环。下面的程序就是用for循环实现的，与上一段程序有同样的功能：

for循环的语法格式是“for 迭代变量 in 范围：”，和while循环一样有关键词、冒号和代码块的缩进。for循环默认迭代变量每次循环都+1，变量名称可以自己定义，常用的有i、j等，只在这个循环中有效（在循环外无法调用这个变量）。这条语句中的range是一个Python内置函数，用于定义一个列表，用作数据范围，在for循环中极其常用（当然也有for循环不需要用到range函数的情况，我们会在1.3节讲到）。它可以写为range（x）,range（x,y）或 range（x,y,z）。range（x）的功能是定义一个从0到x-1的列表作为循环范围，range（x,y）是定义一个从x到y-1的列表，而range（x,y,z）则是在定义一个列表的同时，把默认的每次循环变量+1改成+z（z可以是负数）。

现在，你知道为什么第3行程序中定义的是range（1,n+1）而不是range（1,n）了吗？

前面还讲到，while循环可以用来编写死循环。直接来看程序：

这个程序永远不会自动结束，因为while后面的判断条件永远正确，所以程序会一直输出。

现在，再学习两条语句：continue 和 break。continue 的作用是“跳过这一次循环”,break的作用是“跳出整个循环”。

为了更加生动地展示它们的功能，我们尝试在上面的程序中加入这两条语句。

运行程序，输出结果为：

我们发现，程序并没有无限循环下去，而是在输出11后结束了；并且，5的倍数都没有被输出。这是因为，我们用if语句在for循环中设置了分支，如果count为5的倍数，则count+=1后continue，也就是回到while语句，直接进入下一次循环，不再执行代码块后面的程序。

而当count的值为12时，用break跳出这个循环，到达程序结尾，也没有执行程序块后面的程序。

1.2.8 结构的嵌套

在1.2.7节中，我们看到了循环结构while和分支结构if的嵌套。本节会讲解另外两个结构互相嵌套的例子。

写一个用于做整数除法的程序，让用户输入被除数和除数。由于除数不能为0，所以，如果输入的除数是0，输出错误提示并结束程序。而除法的结果可能是整数或小数，在输出结果的同时，也输出结果的类型。

先自己思考一下该怎么做，再来看下面的程序：

这一段程序中用到了两个if...else语句，其中一条语句在另一条语句的内部，也就是说，第一个if语句的代码块中包含了另一条if语句。这样的写法同样适用于其他结构。

我们再来看第二个例子。在一所学校内，学生都有自己单独的学号，它们由两个两位数组成。但是，这些学号有一个规律：假设学号为ab cd，其中两位数ab不超过20，两位数cd不超过30，同时两位数的开头不能是0。要把所有的学号都输出该怎么做？

同样，先自己思考，再看下面的程序：

01　 for i in range（10,21）:

02　　　 for j in range（10,31）:

03　　　　　print（i,j）

用两个for循环嵌套起来，程序很快就写完了。这意味着，第一个for循环每循环一次，都要把第二个for循环全部走完。这比起把所有学号都自己枚举出来然后一起输出要快得多。