Циклы в программировании

Циклы являются такой же важной частью структурного программирования, как условные операторы. С помощью циклов можно организовать повторение выполнения участков кода. Потребность в этом возникает довольно часто. Например, пользователь последовательно вводит числа, и каждое из них требуется добавлять к общей сумме. Или нужно вывести на экран квадраты ряда натуральных чисел и тому подобные задачи.

Цикл while

While переводится с английского как «пока». Но не в смысле «до свидания», а в смысле «пока имеем это, делаем то».

Можно сказать, while является универсальным циклом. Он присутствует во всех языках, поддерживающих структурное программирование, в том числе в Python. Его синтаксис обобщенно для всех языков можно выразить так:

while логическое_выражение:
    выражение 1
    …
    выражение n

Это похоже на условный оператор if. Однако в случае циклических операторов их тела могут выполняться далеко не один раз. В случае if, если логическое выражение в заголовке возвращает истину, то тело выполняется единожды. После этого поток выполнения программы возвращается в основную ветку и выполняет следующие выражения, расположенные ниже всей конструкции условного оператора.

В случае while, после того как его тело выполнено, поток возвращается к заголовку цикла и снова проверяет условие. Если логическое выражение возвращает истину, то тело снова выполняется. Потом снова возвращаемся к заголовку и так далее.

Цикл завершает свою работу только тогда, когда логическое выражение в заголовке возвращает ложь, то есть условие выполнения цикла больше не соблюдается. После этого поток выполнения перемещается к выражениям, расположенным ниже всего цикла. Говорят, «происходит выход из цикла».

Рассмотрите блок-схему цикла:

На ней ярко-голубыми прямоугольниками обозначена основная ветка программы, ромбом – заголовок цикла с логическим выражением, бирюзовым прямоугольником – тело цикла.

С циклом while возможны две исключительные ситуации:

Если при первом заходе в цикл логическое выражение возвращает False, то тело цикла не выполняется ни разу. Эту ситуацию можно считать нормальной, так как при определенных условиях логика программы может предполагать отсутствие необходимости в выполнении выражений тела цикла.

Если логическое выражение в заголовке while никогда не возвращает False, а всегда остается равным True, то цикл никогда не завершится, если только в его теле нет оператора принудительного выхода из цикла break или вызовов функций выхода из программы – quit(), exit() в случае Python. Если цикл повторяется и повторяется бесконечное количество раз, то в программе происходит зацикливание. В это время она зависает и самостоятельно завершиться не может.

Вспомним наш пример из урока про исключения. Пользователь должен ввести целое число. Поскольку функция input() возвращает строку, то программный код должен преобразовать введенное к целочисленному типу с помощью функции int(). Однако, если были введены символы, не являющиеся цифрами, то возникает исключение ValueError, которое обрабатывается веткой except. На этом программа завершается.

Другими словами, если бы программа предполагала дальнейшие действия с числом (например, проверку на четность), а она его не получила, то единственное, что программа могла сделать, это закончить свою работу досрочно.

Но ведь можно просить и просить пользователя корректно вести число, пока он его не введет. Вот как может выглядеть реализующий это код:

n = input("Введите целое число: ")

while type(n) != int:
    try:
        n = int(n)
    except ValueError:
        print("Неправильно ввели!")
        n = input("Введите целое число: ")

if n % 2 == 0:
    print("Четное")
else:
    print("Нечетное")

ПРИМЕЧАНИЯ

1. Не забываем, в языке программирования Python в конце заголовков сложных инструкций ставится двоеточие.
2. В выражении type(n) != int с помощью функции type() проверяется тип переменной n. Если он не равен int, т. е. значение n не является целым числом, а является в данном случае строкой, то выражение возвращает истину. Если же тип n равен int, то данное логическое выражение возвращает ложь.
3. Оператор % в языке Python используется для нахождения остатка от деления. Так, если число четное, то оно без остатка делится на 2, т. е. остаток будет равен нулю. Если число нечетное, то остаток будет равен единице.

Проследим алгоритм выполнения этого кода. Пользователь вводит данные, они имеют строковый тип и присваиваются переменной n. В заголовке while проверяется тип n. При первом входе в цикл тип n всегда строковый, т. е. он не равен int. Следовательно, логическое выражение возвращает истину, что позволяет зайти в тело цикла.

Здесь в ветке try совершается попытка преобразования строки к целочисленному типу. Если она была удачной, то ветка except пропускается, и поток выполнения снова возвращается к заголовку while.

Теперь n связана с целым числом, следовательно, ее тип int, который не может быть не равен int. Он ему равен. Таким образом логическое выражение type(n) != int возвращает False, и весь цикл завершает свою работу. Далее поток выполнения переходит к оператору if-else, находящемуся в основной ветке программы. Здесь могло бы находиться что угодно, не обязательно условный оператор.

Вернемся назад. Если в теле try попытка преобразования к числу была неудачной, и было выброшено исключение ValueError, то поток выполнения программы отправляется в ветку except и выполняет находящиеся здесь выражения, последнее из которых просит пользователя снова ввести данные. Переменная n теперь имеет новое значение.

После завершения except снова проверяется логическое выражение в заголовке цикла. Оно даст True, т. к. значение n по-прежнему строка.

Выход из цикла возможен только тогда, когда значение n будет успешно конвертировано в число.

Рассмотрим следующий пример:

total = 100

i = 0
while i < 5:
    n = int(input())
    total = total - n
    i = i + 1
    print(total)

print("Осталось", total)

Сколько раз «прокрутится» цикл в этой программе, т. е. сколько итераций он сделает? Ответ: 5.

1. Сначала переменная i равна 0. В заголовке цикла проверяется условие i < 5, и оно истинно. Тело цикла выполняется. В нем меняется значение i, путем добавления к нему единицы.

2. Теперь переменная i равна 1. Это меньше пяти, и тело цикла выполняется второй раз. В нем i меняется, ее новое значение 2.

3. Два меньше пяти. Тело цикла выполняется третий раз. Значение i становится равным трем.

4. Три меньше пяти. На этой итерации i присваивается 4.

5. Четыре по прежнему меньше пяти. К i добавляется единица, и теперь ее значение равно пяти.

Далее начинается шестая итерация цикла. Происходит проверка условия i < 5. Но поскольку теперь оно возвращает ложь, то выполнение цикла прерывается, и его тело не выполняется.

«Смысловая нагрузка» данного цикла – это последовательное вычитание из переменной total вводимых чисел. Переменная i в данном случае играет только роль счетчика итераций цикла. В других языках программирования для таких случаев предусмотрен цикл for, который так и называется: «цикл со счетчиком». Его преимущество заключается в том, что в теле цикла не надо изменять переменную-счетчик, ее значение меняется автоматически в заголовке for.

В языке Python тоже есть цикл for. Но это не цикл со счетчиком. В Питоне он предназначен для перебора элементов последовательностей и других сложных объектов. Данный цикл и последовательности будут изучены в последующих уроках.

Для while наличие счетчика не обязательно. Представим, что надо вводить числа, пока переменная total больше нуля. Тогда код будет выглядеть так:

total = 100

while total > 0:
    n = int(input())
    total = total - n
    print(total)

print("Ресурс исчерпан")

Сколько раз здесь выполнится цикл? Неизвестно, все зависит от вводимых значений. Поэтому у цикла со счетчиком известно количество итераций, а у цикла без счетчика – нет.

Самое главное для цикла while – чтобы в его теле происходили изменения значений переменных, которые проверяются в его заголовке, и чтобы хоть когда-нибудь наступил случай, когда логическое выражение в заголовке возвращает False. Иначе произойдет зацикливание.

ПРИМЕЧАНИЯ

1. Не обязательно в выражениях total = total - n и i = i + 1 повторять одну и ту же переменную. В Python допустим сокращенный способ записи подобных выражений: total -= n и i += 1.
2. При использовании счетчика он не обязательно должен увеличиваться на единицу, а может изменяться в любую сторону на любое значение. Например, если надо вывести числа кратные пяти от 100 до 0, то изменение счетчика будет таким i = i - 5, или i -= 5.
3. Для счетчика не обязательно использовать переменную с идентификатором i. Можно назвать переменную-счетчик как угодно. Однако так принято в программировании, что счетчики обозначают именами i и j (иногда одновременно требуются два счетчика).

Упражнения

1. Используя цикл while, выведите на экран для числа 2 его степени от 0 до 15. Возведение в степень в Python обозначается как **. Фрагмент вывода:

   Пример вывода:

   ...
   32
   64
   128
   256
   512
   1024
   ...
   

2. Написать программу с использованием while, которая будет имитировать бросание двух кубиков, т.е. случайный вывод чисел от 1 до 6. Реализуйте вывод 5 повторений.

   Пример вывода:

   1 2, 5 6, 3 1, 1 4, 5 2
   

3. Написать программу с использованием while, которая будет выводить 5 случайных неповторяющихся чисел от -2 до 2.

   Пример вывода:

   2 -1 0 -2 1
   

4. Пример кода:

   total = 100
   
   while total > 0:
       n = int(input())
       total = total - n
       print(total)
   
   print("Ресурс исчерпан")
   

   Измените последний код из урока так, чтобы переменная total не могла уйти в минус. Например, после предыдущих вычитаний ее значение стало равным 25. Пользователь вводит число 30. Однако программа не выполняет вычитание, а выводит сообщение о недопустимости операции, после чего осуществляет выход из цикла.

Цикл - for

Цикл for в языке программирования Python предназначен для перебора элементов структур данных и некоторых других объектов. Это не цикл со счетчиком, каковым является for во многих других языках.

Что значит перебор элементов? Например, у нас есть список, состоящий из ряда элементов. Сначала берем из него первый элемент, затем второй, потом третий и так далее. С каждым элементом мы выполняем одни и те же действия в теле for. Нам не надо извлекать элементы по их индексам и заботится, на каком из них список заканчивается, и следующая итерация бессмысленна. Цикл for сам переберет и определит конец:

array = [10, 40, 20, 30]
for element in array:
    print(element + 2)

Результат будет выведен в консоль:

12
42
22
32

В ключевого слова for используется переменная под именем element. Имя здесь может быть любым. Нередко используют i. На каждой итерации цикла for ей будет присвоен очередной элемент из списка spisok. Так при первой прокрутке цикла идентификатор element связан с числом 10, на второй – с числом 40, и так далее. Когда элементы в spisok заканчиваются, цикл for завершает свою работу.

С английского «for» переводится как «для», «in» как «в». Перевести конструкцию с языка программирования на человеческий можно так: для каждого элемента в списке делать следующее (то, что в теле цикла).

В примере мы увеличивали каждый элемент на 2 и выводили его на экран. При этом сам список конечно же не изменялся:

print(array)        # [10, 40, 20, 30]

Нигде не шла речь о перезаписи его элементов, они просто извлекались и использовались. Однако бывает необходимо изменить сам список, например, изменить значение каждого элемента в нем или только определенных, удовлетворяющих определенному условию. И тут без переменной, обозначающей индекс элемента, в большинстве случаев не обойтись:

i = 0
for element in array:
    array[i] = element + 2
    i += 1

print(array)        # [12, 42, 22, 32]

Но если мы вынуждены использовать счетчик, то выгода от использования цикла for не очевидна. Если знать длину списка, то почему бы не воспользоваться while. Длину можно измерить с помощью встроенной в Python функции len():

i = 0
while i < len(array):
    array[i] = array[i] + 2     # или array += 2
    i = i + 1                   # или i += 1

print(array)                    # [14, 44, 24, 34]

Кроме того, с циклом while мы избавились от переменной element.

Функция range()

Теперь пришло время познакомиться с встроенной в Python функцией range(). «Range» переводится как «диапазон». Она может принимать один, два или три аргумента. Их назначение такое же как у функции randrange() из модуля random. Если задан только один, то генерируются числа от 0 до указанного числа, не включая его. Если заданы два, то числа генерируются от первого до второго, не включая его. Если заданы три, то третье число – это шаг.

Однако, в отличие от randrange(), функция range() генерирует не одно случайное число в указанном диапазоне. Она вообще не генерирует случайные числа. Она генерирует последовательность чисел в указанном диапазоне. Так, range(5, 11) сгенерирует последовательность 5, 6, 7, 8, 9, 10. Однако это будет не структура данных типа «список». Функция range() производит объекты своего класса – диапазоны:

a = range(-5, 4)
print(a)                # range(-5, 3)
print(type(a))          # <class 'range'>
print(list(a))          # [-5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3]

Обращение к элементам списка:

print(a[0])             # -5
print(a[3])             # -5
print(a[7])             # 5
print(a[-1])            # 9

Хотя изменять их нельзя, так как, в отличие от списков, объекты range() относятся к группе неизменяемых:

a[10] = 100

Результатом выполнения будет ошибка:

Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: 'range' object does not support item assignment

Цикл for и range()

Итак, зачем нам понадобилась функций range() в теме про цикл for? Дело в том, что вместе они образуют неплохой тандем. For как цикл перебора элементов, в отличие от while, позволяет не следить за тем, достигнут ли конец структуры. Не надо вводить счетчик для этого, изменять его и проверять условие в заголовке. С другой стороны, range() дает последовательность целых чисел, которые можно использовать как индексы для элементов того же списка:

print(range(len(array)))        # range(0, 4)

Здесь с помощью функции len() измеряется длина списка. В данном случае она равна четырем. После этого число 4 передается в функцию range(), и она генерирует последовательность чисел от 0 до 3 включительно. Это как раз индексы элементов нашего списка.

Теперь «соединим» for и range():

for i in range(len(array)):
    array[i] += 2

print(array)                    # [16, 46, 26, 36]

В заголовке цикла for берутся элементы вовсе не списка, а объекта range. Список, элементы которого планируется перезаписывать, тут по-сути не фигурирует. Если заранее знать длину списка, то заголовок может выглядеть так: for i in range(4). То, как используется i в теле цикла, вопрос второй. Примечание. Вместо идентификатора i может быть любой другой.

Упражнения

1. Заполните список пятью случайными числами. Используйте в коде цикл for, функции range() и randint() от -20 до 20 с шагом 3.

2. Если объект range() передать встроенной в функции list(), то она преобразует его к списку. Создайте список с элементами от 0 до 100 и шагом 17.

3. Создайте список состоящий из положительных и отрицательных чисел. Посчитайте количество отрицательных элементов. Выведите исходный список и результат подсчета на экран.

4. Напишите программу, которая содержит список из пяти слов, измеряет длину каждого слова и добавляет полученное значение в другой список. Например, список слов – ['yes', 'no', 'maybe', 'ok', 'what'], список длин – [3, 2, 5, 2, 4]. Оба списка должны выводиться на экран.

5. Напишите программу генерации английских кнопок. Текст для кнопок берется из списка: ['yes', 'no', 'maybe', 'ok', 'what']. При нажатии на любую кнопку происходит перевод: смена текста кнопок на русский текст: ["да", "нет", "наверно", "ок", "что"].