搜索
第4章程序的控制结构程序的循环结构•根据循环执行次数的确定性，分为确定次数循环和非确定次数循环•确定次数循环指循环体对循环次数有明确的定义，这类循环在Python中被称为“遍历循环”，其中，循环次数采用遍历结构中元素个数来体现，具体采用for语句实现。•非确定次数循环指程序不确定循环体可能的执行次数，而通过条件判断是否继续执行循环体，Python提供了根据判断条件执行程序的无限循环，具体采用while语句实现。程序的循环结构•Python通过保留字for实现“遍历循环”，基本使用方法如下：for循环变量in遍历结构:语句块•之所以称为“遍历循环”，是因为for语句的循环执行次数是根据遍历结构中元素个数确定的。遍历循环可以理解为从遍历结构中逐一提取元素，放在循环变量中，对于每个所提取的元素执行一次语句块。遍历循环:for语句•遍历结构可以是字符串、文件、组合数据类型或range()函数，常用的使用方式如下循环N次foriinrange(N):语句块遍历文件fi的每一行forlineinfi:语句块遍历字符串sforcins:语句块遍历循环:for语句•遍历循环还有一种扩展模式，使用方法如下：for循环变量in遍历结构:语句块1else:语句块2遍历循环:for语句•在这种扩展模式中，当for循环正常执行之后，程序会继续执行else语句中内容。else语句只在循环正常执行之后才执行，因此，可以在语句块2中放置判断循环执行情况的语句。•这里先给一个小例子：遍历循环:for语句•很多应用很难在执行之初就有确定的遍历结构，这需要编程语言提供根据条件进行循环的语法，称为无限循环，又称条件循环。•无限循环一直保持循环操作直到特定条件被满足才结束，不需要提前知道循环次数。无限循环:while语句•Python通过保留字while实现无限循环，基本使用方法如下：while条件:语句块•其中条件与if语句中的判断条件一样，结果为True和False。无限循环:while语句•在这种扩展模式中，当while循环正常执行之后，程序会继续执行else语句中内容。else语句只在循环正常执行之后才执行，因此，可以在语句块2中放置判断循环执行情况的语句，例如：无限循环:while语句•程序执行后的效果如下：•如果通过while实现一个计数循环，需要在循环之前对计数器idx进行初始化，并在每次循环中对计数器idx进行累加，如上述代码第4行。相比for循环，循环变量逐一取自遍历结构，不需要程序维护计数器无限循环:while语句•循环结构有两个辅助保留字：break和continue，它们用来辅助控制循环执行。•break用来跳出最内层for或while循环，脱离该循环后续执行，例如循环保留字:break和continue•其中，break语句跳出了最内层for循环，但仍然继续执行外层循环。每个break语句只有能力跳出当前层次循环。•continue用来结束当前当次循环，即跳出循环体中下面尚未执行的语句，但不跳出当前循环。对于while循环，继续求解循环条件。而对于for循环，程序流程接着遍历循环列表。循环保留字:break和continue•对比continue和break语句，如下：循环保留字:break和continue两个程序执行后的效果分别为PYHONPYrandom库的使用•随机数在计算机应用中十分常见Python内置的random库主要用于产生各种分布的伪随机数序列random库采用梅森旋转算法（Mersennetwister）生成伪随机数序列，可用于除随机性要求更高的加解密算法外的大多数工程应用。random库概述•使用random库主要目的是生成随机数，因此，读者只需要查阅该库的随机数生成函数，找到符合使用场景的函数使用即可。这个库提供了不同类型的随机数函数，所有函数都是基于最基本的random.random()函数扩展而来。random库概述random库解析•random库常用的9个随机数生成函数函数描述函数seed(a=None)初始化随机数种子，默认值为当前系统时间seed(a=None)random()生成一个[0.0,1.0)之间的随机小数random()randint(a,b)生成一个[a,b]之间的整数randint(a,b)getrandbits(k)生成一个k比特长度的随机整数getrandbits(k)randrange(start,stop[,step])生成一个[start,stop)之间以step为步数的随机整数randrange(start,stop[,step])uniform(a,b)生成一个[a,b]之间的随机小数uniform(a,b)choice(seq)从序列类型(例如：列表)中随机返回一个元素choice(seq)shuffle(seq)将序列类型中元素随机排列，返回打乱后的序列shuffle(seq)sample(pop,k)从pop类型中随机选取k个元素，以列表类型返回sample(pop,k)•对random库的引用方法与math库一样，可采用下面两种方式实现importrandom或fromrandomimport*•使用random库的一些例子如下，请读者注意，这些语句每次执行后的结果不一定一样：random库解析random库解析•生成随机数之前可以通过seed()函数指定随机数种子，随机种子一般是一个整数，只要种子相同，每次生成的随机数序列也相同。这种情况便于测试和同步数据，例如：random库解析π的计算•π的计算•随着计算机的出现，数学家找到了另类求解π的方法：蒙特卡罗（MonteCarlo）方法，又称随机抽样或统计试验方法。•当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，它们可以通过某种“试验”的方法，得到这种事件出现的频率，或者这个随机变数的平均值，并用它们作为问题的解。这就是蒙特卡罗方法的基本思想。π的计算•应用蒙特卡罗方法求解π的基本步骤如下：随机向单位正方形和圆结构，如图4.10所示，抛洒大量“飞镖”点，计算每个点到圆心的距离从而判断该点在圆内或者圆外，用圆内的点数除以总点数就是π/4值π的计算•为了简化计算，一般利用图形的1/4求解π值，如图4.11所示。该问题的IPO表示如下：输入：抛点数处理：计算每个点到圆心的距离，统计在圆内点的数量输出：π值π的计算π的计算•上述代码中，random()函数随机返回一个在[0,1)之间的浮点数，用两个随机数给出随机抛点(x,y)的坐标。sqrt()函数来自于数学库math，用来求解输入数据的平方根。第一次调用clock()函数启动一个新的计时器，第二次调动clock()函数返回启动计时器后的时间。π的计算•代码中DARTS是一个常量，初始设定这个抛点数为1000。该程序运行结果如下：Pi值是3.144.运行时间是:0.016477s•计算得到的π值为3.144，与大家熟知的3.1415相差较远。原因是DARTS点数量较少，无法更精确刻画面积的比例关系。π的计算•表4.4列出了不同DARTS值情况下该程序的运行情况，可以看到，随着DARTS数量的增加，在220数量级上，π的值就相对准确了。DARTSπ运行时间2103.1093750.011s2113.1386710.012s2123.1503900.014s2133.1435540.018s2143.1413570.030s2153.1478270.049s2163.1419670.116s2183.1445770.363s2203.14266967771.255sπ的计算异常处理机制•观察下面这段小程序num=eval(input(请输入一个整数:))print(num**2)•当用户输入数字时，程序正常执行，如果用户输入的不是数字呢？异常处理:try-except语句异常处理:try-except语句•可以看到，Python解释器返回了异常信息，同时程序退出，图4.12具体说明了这个异常信息中各部分的含义。异常处理:try-except语句•Python异常信息中最重要的部分是异常类型，它表明了发生异常的原因，也是程序处理异常的依据。•Python使用try-except语句实现异常处理，基本的语法格式如下：try:语句块1except异常类型:语句块2异常处理:try-except语句•语句块1是正常执行的程序内容，当发生异常时执行except保留字后面的语句块，为这个小例子增加异常处理，代码如下：异常处理:try-except语句•try-except语句可以支持多个except语句，语法格式如下：try:语句块1except异常类型1:语句块2….except异常类型N:语句块N+1except:语句块N+2异常的高级用法•其中，第1到第N个except语句后面都指定了异常类型，说明这些except所包含的语句块只处理这些类型的异常。最后一个except语句没有指定任何类型，表示它对应的语句块可以处理所有其他异常。这个过程与if-elif-else语句类似，是分支结构的一种表达方式，一段代码如下。异常的高级用法异常的高级用法•该程序将用户输入的数字作为索引从字符串alp中返回一个字符，当用户输入非整数字符时，exceptNameError异常被捕获到，提升用户输入类型错误，当用户输入数字不在1到26之间时，异常被except捕获，程序打印其他错误信息，执行过程和结果如下：异常的高级用法•除了try和except保留字外，异常语句还可以与else和finally保留字配合使用，语法格式如下：try:语句块1except异常类型1:语句块2else:语句块3finally:语句块4异常的高级用法•此处的else语句与for循环和while循环中的else一样，当try中语句块1正常执行结束且没有发生异常时，else中语句块3执行，可以看作是对try语句块正常执行后的一种追加处理。•finally语句块则不同，无论try中语句块1是否发生异常，语句块4都会执行，可以将程序执行语句块1的一些收尾工作放在这里，例如关闭打开文件等。异常的高级用法•采用这些保留子的异常处理控制流过程如图4.13所示异常的高级用法•采用else和finally修改代码如下异常的高级用法•执行过程和结果如下：异常的高级用法•Python能识别很多种异常类型，但不建议读者编写程序时依赖try-except这种异常处理机制。try-except异常一般只用来检测极少发生的情况，例如：用户输入的合规性或文件打开是否成功等。对于本节小例子中索引字符串超过范围的情况应该尽量在程序中采用if语句直接判断，尽量避免通过异常处理来应对这种可能发生的“错误”异常的高级用法•对于商业应用的软件产品，稳定性和可靠性是最重要的衡量指标之一。即使这类软件产品，也不会滥用try-except类型语句。因为采用try-except语句会影响代码的可读性，增加代码维护难度，因此，一般只在关键地方采用try-except类型语句处理可能发生的异常。——没看懂，到底该什么时候该使用异常语句呢？——程序员都是对它又爱又恨，其实，想用就用吧，用户体验好才是王道！异常的高级用法•本章主要讲解程序的基本结构，包括分支结构和循环结构，介绍身体质量指数BMI的计算，用实例说明分支结构的使用。本章同时介绍了一个常用标准库random库，利用它实现了蒙特卡罗方法求解π的过程。最后介绍了程序的异常处理操作。本章小结