3.3 循环语句
另外一种控制语句是循环语句。循环顾名思义就是重复地执行一些语句块，典型的例子就是老师会修改学生们同样的试卷。循环语句又可以分为while语句和for语句，此外还会衍生出一些跳转语句，如break语句和continue语句等。
3.3.1 while语句
while循环是常用的循环方式，它的结构如下：
其中，else语句是可选的。while语句的执行流程如图3-4所示。
图3-4 while语句的执行流程
接下来举例说明如何使用while语句。在小学趣味数学中，会常常问到从1到100的整数相加的结果是什么。这对于while语句来说就是相对简单的，下面通过代码清单3-9进行计算。
代码清单3-9：使用while语句计算从1到100的整数相加的和
需要注意的是，这里的变量n是一个从1到100变化的整数。
其意思是每次循环，n就加1，而循环的条件是n <= 100，这样就能控制整数的范围是[1, 100]。而变量total是计算总和，从而得到最后的结果。执行代码清单3-9就可以得到下面的输出结果：
如果while语句的代码只有一行，则可以像下面一样编写代码：
此时while语句的代码块就只有n += 1这一行，只是这样的方式可读性并不高，所以笔者也不推荐这种方式，即使while语句的代码只有一行，也应该换行编写，因为这样可以提高代码的可读性，如下所示：
3.3.2 使用循环的注意事项
使用循环的注意事项主要包括两点：一是避免死循环（或称为无限循环），也就是要注意退出循环的条件；二是准确把握边界。下面分别进行探讨。
所谓死循环是指循环条件一直成立，永远都不退出循环，如下代码就是死循环：
如果运行上述代码，就会一直执行n += 1这行代码，这将消耗计算机很多的资源。
在一般情况下，应该避免死循环，或者有机制退出循环，关于退出循环可以考虑使用后面介绍的break语句，本节先讨论如何避免死循环。避免死循环的关键点在于循环条件的编写，如这里的n > 0就已经决定了它是一个死循环，如果将循环条件修改为n <= 10，那么当n=11时就可以退出循环，代码如下：
说明 死循环的应用
死循环并非一无是处，在很多情况下死循环还是可用的，如一个服务器的服务永远在运行，一般来说它会让任务处于休眠状态，从而降低计算机资源的损耗。当有外部请求到达时，它就会进入工作状态来完成用户的请求。当它完成用户的请求之后，又会进入休眠状态，继续等待外部请求的到来。这就是一种典型的死循环的应用。当然，在编写代码时应该考虑死循环的合理性，即使存在死循环，也要考虑如何退出死循环，毕竟原本处于死循环服务的服务器也是允许正常关闭的。
使用循环的另一个问题是边界问题，任意字符串都是存在长度的，不慎搞错边界会触发异常，如代码清单3-10所示。
代码清单3-10：越界问题
运行上述代码得到的输出结果如下：
从异常中可以看到“string index out of range”这样的提示，这是因为当index == len(s)时，就会在执行s[index]时越界。这里index的界限应该是整数区间[0, len(s) -1)，出现执行异常是因为循环条件为index <= len(s)，使index == len(s)成为可能，所以只需要将循环条件修改为index < len(s)就可以。由此可以看出，正确界定循环的边界是十分重要的。
3.3.3 for语句
for循环比while循环更加常用，因为其功能更加强大。for语句的结构如下：
其中，else语句是可选的。for语句的执行流程如图3-5所示。
图3-5 for语句的执行流程
在代码清单3-9中使用while语句实现了从1加到100，使用for语句也可以完成，如代码清单3-11所示。
代码清单3-11：使用for语句计算从1到100的和
这里的n就是序列rang(1, 101)中的变量，for语句将遍历这个序列，使total得到从1到100的和。除了数字，for语句还可以遍历Python的数据结构（如列表），如代码清单3-12所示。
代码清单3-12：使用for语句遍历列表
3.3.4 range函数
在for循环中，range是一个使用比较广泛的函数，所以本节主要介绍range函数的使用。在range函数中存在以下3个参数。
• start：初始值，默认值为0。
• stop：最大值，在Python中区间采用左闭右开的规则，所以范围不包括这个值。
• step：步长，在默认情况下每次递增1，如果将step设置为2，则每次递增2。
下面通过举例来说明，如代码清单3-13所示。
代码清单3-13：使用range函数
代码①处的range函数只设置了一个整数11，也就是将stop设置为11，而默认start为0，step为1，这个时候它将遍历区间[0, 11)中的11个整数。代码②处的range函数设置了区间[6, 11)，step为1，所以遍历区间[6, 11)中的5个整数。代码③处的range函数将start设置为2，stop设置为11，step设置为2，由于step为2，因此每次递增2，它将遍历区间[2, 11)中的偶数。
对于一些数据类型，有时我们希望按下标进行遍历而不是按元素进行遍历，此时也可以使用range函数，如代码清单3-14就是一个以下标遍历字符串字符的例子。
代码清单3-14：使用range函数遍历字符串
需要注意的是，在代码中使用len函数得到字符串的长度就不容易越界，并且可读性更好。
3.3.5 跳转关键字break、continue和pass
有时循环并不是为了遍历所有的元素，而只是为了在某个集合中找到对应的值，一旦找到对应的值就即刻返回，不再继续访问。例如，如果需要在字符串“人生苦短，我用Python”中确定“P”的下标，当找到“P”之后，就不再遍历后续的字符串“ython”，这就需要存在退出循环的机制。在Python中，完成循环中断功能的是break关键字。下面通过代码清单3-15来实现这个功能。
代码清单3-15：使用break关键字退出循环
加粗的代码在找到“P”的下标的情况下才执行break关键字。当遇到break关键字时，程序就会退出当前循环，并且不再执行循环的else分支。所以，运行上述代码得到的输出结果如下：
此外，在Python中还存在一个关键字——continue，它的作用是跳过本次循环，然后直接进入下一轮的循环。在美国前总统肯尼迪的演讲中，有这样一句话——Ask not what your country can do for you — ask what you can do for your country（不要问你的国家能为你做什么，而是要问你能为你的国家做什么）。下面统计这句话中有多少个元音字母（a、e、i、o和u为元音字母），如代码清单3-16所示。
代码清单3-16：统计元音字母
加粗的continue表示跳过当前循环中的字符和其后续的语句，直接进入下一轮循环。运行上述代码得到的输出结果如下：
此外，在Python中还存在关键字pass，pass语句的用途在于空实现。有时可能会因为某种原因不能完成代码，如需求不够清晰，此时可以使用pass语句来暂时标识，说明这段代码需要在将来完成。例如，遍历字符串“人生苦短，我用Python”，当遇到英文字母时就打印出来，当遇到其他字符时可能还没有想好处理方法，就可以写成代码清单3-17的样子。
代码清单3-17：pass语句的使用
最后加粗的pass代表目前还不知道应该如何处理，等待后续讨论清楚之后再来完成对应的代码，这样就可以保证逻辑分支的完整。
3.3.6 循环的嵌套
和条件语句一样，循环语句也可以嵌套，笔者建议嵌套不要超过3层，因为嵌套的层次过多会使代码的可读性急剧下降。在循环的嵌套的程序设计中有两个经典的例子，一个是九九乘法表，另一个是寻找质数，下面分别进行讲解。
九九乘法表是学习数学的基础。九九乘法表如下：
假设i为纵向控制变量，j为横向控制变量，那么在每行i>=j的规则下，每个i都需要一次换行，依照这些规律来实现Python版的九九乘法表，如代码清单3-18所示。
代码清单3-18：九九乘法表
这样就完成了九九乘法表的输出。
下面讨论质数的问题。所谓质数（或素数）就是大于1且只能被1和其本身整除的整数。例如，13只能被1和13整除，所以它就是质数；18能被3整除，而3不是1和数字本身，所以18就不是质数。也就是说，一个非质数N需要满足以下条件：
其中，a和b被称为因子，根据非质数的这个特征，下面求区间[1, 100]中的质数，如代码清单3-19所示。
代码清单3-19：求区间[1, 100]中的质数
上述代码的关键是加粗的嵌套循环，它会遍历整数区间[2, i-1]寻找因子，如果可以找到因子则不是质数，如果找不到就使用else语句输出质数。
质数问题之所以成为经典例子并非那么简单，假设要寻找区间[1,29999]中的质数，那么通过这样的循环寻找因子的计算量就会比较大，所以需要使用简化的方法。
说明 循环嵌套的弊端
寻找区间[1, 29999]中的质数。以29999为例，假设它不是质数，那么必然存在a和b满足：
这里假设a>=b，那么必然存在b <= math.sqrt(29999)，这样就不需要遍历区间[2, 29998]，而只需要遍历区间[2, int(math.sqrt(29999))]寻找b，如果可以找到则说明它不是质数，如果找不到则说明它是质数。由此可见，通过一定的规律减少循环的次数，从而减少内层循环的计算次数，以提高性能，这是在做循环嵌套时应该注意的事情。
由此可知，只需要将数字开平方，就可以通过缩小区间来寻找因子，下面通过代码清单3-20来寻找区间[1, 29999]中的质数。
代码清单3-20：寻找区间[0, 29999]中的质数
需要注意加粗的代码，这里先开平方，再缩小循环区间，从而使内层循环计算的次数大大降低，这样就能提高程序的性能。
注意 循环嵌套的注意点
循环嵌套意味着大量计算，如果外层循环是1000，内层循环是100，那么需要计算1000×100 = 100 000次。因此，在使用循环嵌套时，一定要评估循环的次数，如果次数比较多，就应该考虑是否存在减少嵌套的方法，以及是否能够根据业务特点找到有效减少循环次数的方法。这里求质数的方法就是一个典型的案例，通过开平方减少了循环的次数，大大地提高了程序的性能。
同样，和if语句一样，循环嵌套不应该超过3层，超过3层的嵌套会影响程序的可读性，增加程序的复杂度。