【Python语言初识(二)】

一、分支结构

1.1、if语句

在Python中，要构造分支结构可以使用if、elif和else关键字。所谓关键字就是有特殊含义的单词，像if和else就是专门用于构造分支结构的关键字，很显然你不能够使用它作为变量名（事实上，用作其他的标识符也是不可以）。下面的例子中演示了如何构造一个分支结构。

"""
用户身份验证
"""
username = input('请输入用户名: ')
password = input('请输入口令: ')
# 用户名是admin且密码是123456则身份验证成功否则身份验证失败
if username == 'admin' and password == '123456':print('身份验证成功!')
else:print('身份验证失败!')

需要说明的是和C/C++、Java等语言不同，Python中没有用花括号来构造代码块而是使用了缩进的方式来表示代码的层次结构，如果if条件成立的情况下需要执行多条语句，只要保持多条语句具有相同的缩进就可以了。换句话说连续的代码如果又保持了相同的缩进那么它们属于同一个代码块，相当于是一个执行的整体。缩进可以使用任意数量的空格，但通常使用4个空格，建议大家不要使用制表键或者设置你的代码编辑工具自动将制表键变成4个空格。

当然如果要构造出更多的分支，可以使用if...elif...else...结构或者嵌套的if...else...结构，下面的代码演示了如何利用多分支结构实现分段函数求值。

"""
分段函数求值3x - 5  (x > 1)
f(x) =  x + 2   (-1 <= x <= 1)5x + 3  (x < -1)
"""x = float(input('x = '))
if x > 1:y = 3 * x - 5
elif x >= -1:y = x + 2
else:y = 5 * x + 3
print('f(%.2f) = %.2f' % (x, y))"""
分段函数求值 - 嵌套版3x - 5	(x > 1)
f(x) =	x + 2	(-1 <= x <= 1)5x + 3	(x < -1)
"""x = float(input('x = '))
if x > 1:y = 3 * x - 5
else:if x >= -1:y = x + 2else:y = 5 * x + 3
print('f(%.2f) = %.2f' % (x, y))

1.2、练习

1.2.1、练习1：英制单位英寸与公制单位厘米互换。

"""
英制单位英寸和公制单位厘米互换
"""
value = float(input('请输入长度: '))
unit = input('请输入单位: ')
if unit == 'in' or unit == '英寸':print('%f英寸 = %f厘米' % (value, value * 2.54))
elif unit == 'cm' or unit == '厘米':print('%f厘米 = %f英寸' % (value, value / 2.54))
else:print('请输入有效的单位')

1.2.2、练习2：百分制成绩转换为等级制成绩。

"""
百分制成绩转换为等级制成绩
要求：如果输入的成绩在90分以上（含90分）输出A；80分-90分（不含90分）输出B；70分-80分（不含80分）输出C；60分-70分（不含70分）输出D；60分以下输出E。
"""
score = float(input('请输入成绩: '))
if score >= 90:grade = 'A'
elif score >= 80:grade = 'B'
elif score >= 70:grade = 'C'
elif score >= 60:grade = 'D'
else:grade = 'E'
print('对应的等级是:', grade)

1.2.3、练习3：输入三条边长，如果能构成三角形就计算周长和面积。

"""
判断输入的边长能否构成三角形，如果能则计算出三角形的周长和面积
"""
a = float(input('a = '))
b = float(input('b = '))
c = float(input('c = '))
if a + b > c and a + c > b and b + c > a:print('周长: %f' % (a + b + c))p = (a + b + c) / 2area = (p * (p - a) * (p - b) * (p - c)) ** 0.5print('面积: %f' % (area))
else:print('不能构成三角形')

说明： 上面使用的通过边长计算三角形面积的公式叫做海伦公式。

二、循环结构

2.1、for-in循环

"""
用for循环实现1~100求和
"""sum = 0
for x in range(101):sum += x
print(sum)

需要说明的是上面代码中的range(1, 101)可以用来构造一个从1到100的范围，当我们把这样一个范围放到for-in循环中，就可以通过前面的循环变量x依次取出从1到100的整数。当然，range的用法非常灵活，下面给出了一个例子：

range(101)：可以用来产生0到100范围的整数，需要注意的是取不到101。
range(1, 101)：可以用来产生1到100范围的整数，相当于前面是闭区间后面是开区间。
range(1, 101, 2)：可以用来产生1到100的奇数，其中2是步长，即每次数值递增的值。
range(100, 0, -2)：可以用来产生100到1的偶数，其中-2是步长，即每次数字递减的值。

知道了这一点，我们可以用下面的代码来实现1~100之间的偶数求和。

"""
用for循环实现1~100之间的偶数求和
"""sum = 0
for x in range(2, 101, 2):sum += x
print(sum)

2.2、while循环

如果要构造不知道具体循环次数的循环结构，我们推荐使用while循环。while循环通过一个能够产生或转换出bool值的表达式来控制循环，表达式的值为True则继续循环；表达式的值为False则结束循环。

下面我们通过一个“猜数字”的小游戏来看看如何使用while循环。猜数字游戏的规则是：计算机出一个1到100之间的随机数，玩家输入自己猜的数字，计算机给出对应的提示信息（大一点、小一点或猜对了），如果玩家猜中了数字，计算机提示用户一共猜了多少次，游戏结束，否则游戏继续。

"""
猜数字游戏
"""
import randomanswer = random.randint(1, 100)
counter = 0
while True:counter += 1number = int(input('请输入: '))if number < answer:print('大一点')elif number > answer:print('小一点')else:print('恭喜你猜对了!')break
print('你总共猜了%d次' % counter)
if counter > 7:print('你的智商余额明显不足')

上面的代码中使用了break关键字来提前终止循环，需要注意的是break只能终止它所在的那个循环，这一点在使用嵌套的循环结构（下面会讲到）需要引起注意。除了break之外，还有另一个关键字是continue，它可以用来放弃本次循环后续的代码直接让循环进入下一轮。

和分支结构一样，循环结构也是可以嵌套的，也就是说在循环中还可以构造循环结构。下面的例子演示了如何通过嵌套的循环来输出一个九九乘法表。

"""
输出乘法口诀表(九九表)
"""for i in range(1, 10):for j in range(1, i + 1):print('%d*%d=%d' % (i, j, i * j), end='\t')print()

2.3、练习

2.3.1、练习1：输入一个正整数判断是不是素数。

提示：素数指的是只能被1和自身整除的大于1的整数。

from math import sqrt
from random import randintdef is_prime():num = int(input('请输入一个正整数: '))end = int(sqrt(num))is_prime = Truefor x in range(2, end + 1):if num % x == 0:is_prime = Falsebreakif is_prime and num != 1:print('%d是素数' % num)else:print('%d不是素数' % num)

2.3.2、练习2：输入两个正整数，计算它们的最大公约数和最小公倍数。

提示：两个数的最大公约数是两个数的公共因子中最大的那个数；两个数的最小公倍数则是能够同时被两个数整除的最小的那个数。

def calculate_num():x = int(input('x = '))y = int(input('y = '))if x > y:x, y = y, xfor factor in range(x, 0, -1):if x % factor == 0 and y % factor == 0:print('%d和%d的最大公约数是%d' % (x, y, factor))print('%d和%d的最小公倍数是%d' % (x, y, x * y // factor))break

2.3.3、练习3：打印如下所示的三角形图案。

*
**
***
****
*****

    **********
*****

    ****************
*********

def print_graph():row = int(input('请输入行数: '))for i in range(row):for _ in range(i + 1):print('*', end='')print()for i in range(row):for j in range(row):if j < row - i - 1:print(' ', end='')else:print('*', end='')print()for i in range(row):for _ in range(row - i - 1):print(' ', end='')for _ in range(2 * i + 1):print('*', end='')print()

三、构造程序逻辑

3.1、经典的例子

3.1.1、寻找水仙花数。

说明：水仙花数也被称为超完全数字不变数、自恋数、自幂数、阿姆斯特朗数，它是一个3位数，该数字每个位上数字的立方之和正好等于它本身，例如：1^3 + 5^3+ 3^3=153。

def find_Narcissistic_number():for num in range(100,1000):low = num % 10mid = num // 10 % 10high = num // 100if num == low ** 3 + mid ** 3 + high ** 3:print(num)

在上面的代码中，我们通过整除和求模运算分别找出了一个三位数的个位、十位和百位，这种小技巧在实际开发中还是常用的。用类似的方法，我们还可以实现将一个正整数反转，例如：将12345变成54321，代码如下所示。

def reverse_num():num = int(input('请输入一个整数:'))reverse_num = 0while num > 0:reverse_num = reverse_num * 10 + num % 10num //= 10print(reverse_num)

3.1.2、百钱百鸡问题。

说明：百钱百鸡是我国古代数学家张丘建在《算经》一书中提出的数学问题：鸡翁一值钱五，鸡母一值钱三，鸡雏三值钱一。百钱买百鸡，问鸡翁、鸡母、鸡雏各几何？翻译成现代文是：公鸡5元一只，母鸡3元一只，小鸡1元三只，用100块钱买一百只鸡，问公鸡、母鸡、小鸡各有多少只？

def dollars_and_chicken():for x in range(0 , 20):for y in range(0 , 33):z = 100 - x - yif x * 5 + y * 3 + z / 3 == 100:print('%d只公鸡, %d只母鸡, %d只小鸡' % (x , y , z))

上面使用的方法叫做穷举法，也称为暴力搜索法，这种方法通过一项一项的列举备选解决方案中所有可能的候选项并检查每个候选项是否符合问题的描述，最终得到问题的解。这种方法看起来比较笨拙，但对于运算能力非常强大的计算机来说，通常都是一个可行的甚至是不错的选择，而且问题的解如果存在，这种方法一定能够找到它。

3.1.3、CRAPS赌博游戏。

说明：CRAPS又称花旗骰，是美国拉斯维加斯非常受欢迎的一种的桌上赌博游戏。该游戏使用两粒骰子，玩家通过摇两粒骰子获得点数进行游戏。简单的规则是：玩家第一次摇骰子如果摇出了7点或11点，玩家胜；玩家第一次如果摇出2点、3点或12点，庄家胜；其他点数玩家继续摇骰子，如果玩家摇出了7点，庄家胜；如果玩家摇出了第一次摇的点数，玩家胜；其他点数，玩家继续要骰子，直到分出胜负。

def GRAPS():money = 1000while money > 0:print('你的总资产:', money)need_go_on = Falsewhile True:debt = int(input('请下注:'))if 0 < debt <= money:breakfirst = randint(1,6) + randint(1,6)print('玩家摇出了%d点' % first)if first == 7 or first == 11:print('玩家胜!')money += debt     elif first == 2 or first == 3 or first == 12:print('庄家胜!')money -= debt else:need_go_on = Truewhile need_go_on:need_go_on = Falsecurrent = randint(1,6) + randint(1,6)print('玩家摇出了%d点' % current)if current == 7:print('庄家胜!')money -= debtelif current == first:print('玩家胜!')money += debtelse:need_go_on = Trueprint('你破产了,游戏结束!')

3.2、练习

3.2.1、生成斐波那契数列的前20个数。

说明：斐波那契数列（Fibonacci sequence），又称黄金分割数列，是意大利数学家莱昂纳多·斐波那契（Leonardoda Fibonacci）在《计算之书》中提出一个在理想假设条件下兔子成长率的问题而引入的数列，所以这个数列也被戏称为"兔子数列"。斐波那契数列的特点是数列的前两个数都是1，从第三个数开始，每个数都是它前面两个数的和，形如：1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, ...。斐波那契数列在现代物理、准晶体结构、化学等领域都有直接的应用。

"""
输出斐波那契数列的前20个数
1 1 2 3 5 8 13 21 ...
"""a = 0
b = 1
for _ in range(20):a, b = b, a + bprint(a, end=' ')

3.2.2、找出10000以内的完美数。

说明：完美数又称为完全数或完备数，它的所有的真因子（即除了自身以外的因子）的和（即因子函数）恰好等于它本身。例如：6（6=1+2+3）和28（28=1+2+4+7+14）就是完美数。完美数有很多神奇的特性，有兴趣的可以自行了解。

def perfect():for num in range(2, 10000):result = 0for factor in range(1, int(sqrt(num)) + 1):if num % factor == 0:result += factorif factor > 1 and num // factor != factor:result += num // factorif result == num:print(num)

3.2.3、输出100以内所有的素数。

"""
输出2~99之间的素数
"""import mathfor num in range(2, 100):is_prime = Truefor factor in range(2, int(math.sqrt(num)) + 1):if num % factor == 0:is_prime = Falsebreakif is_prime:print(num, end=' ')

四、函数和模块

4.1、函数

函数是绝大多数编程语言中都支持的一个代码的"构建块"，但是Python中的函数与其他语言中的函数还是有很多不太相同的地方，其中一个显著的区别就是Python对函数参数的处理。在Python中，函数的参数可以有默认值，也支持使用可变参数，所以Python并不需要像其他语言一样支持函数的重载，因为我们在定义一个函数的时候可以让它有多种不同的使用方式，下面是两个小例子。

from random import randintdef roll_dice(n=2):"""摇色子"""total = 0for _ in range(n):total += randint(1, 6)return totaldef add(a=0, b=0, c=0):"""三个数相加"""return a + b + c# 如果没有指定参数那么使用默认值摇两颗色子
print(roll_dice())
# 摇三颗色子
print(roll_dice(3))
print(add())
print(add(1))
print(add(1, 2))
print(add(1, 2, 3))
# 传递参数时可以不按照设定的顺序进行传递
print(add(c=50, a=100, b=200))

给上面两个函数的参数都设定了默认值，这也就意味着如果在调用函数的时候如果没有传入对应参数的值时将使用该参数的默认值，所以在上面的代码中我们可以用各种不同的方式去调用add函数，这跟其他很多语言中函数重载的效果是一致的。

其实上面的add函数还有更好的实现方案，因为我们可能会对0个或多个参数进行加法运算，而具体有多少个参数是由调用者来决定，我们作为函数的设计者对这一点是一无所知的，因此在不确定参数个数的时候，我们可以使用可变参数，代码如下所示。

# 在参数名前面的*表示args是一个可变参数
def add(*args):total = 0for val in args:total += valreturn total# 在调用add函数时可以传入0个或多个参数
print(add())
print(add(1))
print(add(1, 2))
print(add(1, 2, 3))
print(add(1, 3, 5, 7, 9))

4.2、模块

如果项目是由多人协作进行团队开发的时候，团队中可能有多个程序员都定义了名为foo的函数，那么怎么解决这种命名冲突呢？答案其实很简单，Python中每个文件就代表了一个模块（module），我们在不同的模块中可以有同名的函数，在使用函数的时候我们通过import关键字导入指定的模块就可以区分到底要使用的是哪个模块中的foo函数，代码如下所示。

module1.py

def foo():print('hello, world!')

module2.py

def foo():print('goodbye, world!')

test.py

from module1 import foo# 输出hello, world!
foo()from module2 import foo# 输出goodbye, world!
foo()

也可以按照如下所示的方式来区分到底要使用哪一个foo函数。

test.py

import module1 as m1
import module2 as m2m1.foo()
m2.foo()

但是如果将代码写成了下面的样子，那么程序中调用的是最后导入的那个foo，因为后导入的foo覆盖了之前导入的foo。

test.py

from module1 import foo
from module2 import foo# 输出goodbye, world!
foo()

test.py

from module2 import foo
from module1 import foo# 输出hello, world!
foo()

需要说明的是，如果我们导入的模块除了定义函数之外还有可以执行代码，那么Python解释器在导入这个模块时就会执行这些代码，事实上我们可能并不希望如此，因此如果我们在模块中编写了执行代码，最好是将这些执行代码放入如下所示的条件中，这样的话除非直接运行该模块，if条件下的这些代码是不会执行的，因为只有直接执行的模块的名字才是"__main__"。

module3.py

def foo():passdef bar():pass# __name__是Python中一个隐含的变量它代表了模块的名字
# 只有被Python解释器直接执行的模块的名字才是__main__
if __name__ == '__main__':print('call foo()')foo()print('call bar()')bar()

test.py

import module3# 导入module3时 不会执行模块中if条件成立时的代码 因为模块的名字是module3而不是__main__

4.3、练习

4.3.1、练习1：实现计算求最大公约数和最小公倍数的函数。

def gcd(x, y):"""求最大公约数"""(x, y) = (y, x) if x > y else (x, y)for factor in range(x, 0, -1):if x % factor == 0 and y % factor == 0:return factordef lcm(x, y):"""求最小公倍数"""return x * y // gcd(x, y)

4.3.2、练习2：实现判断一个数是不是回文数的函数。

def is_palindrome(num):"""判断一个数是不是回文数"""temp = numtotal = 0while temp > 0:total = total * 10 + temp % 10temp //= 10return total == num

4.3.3、练习3：实现判断一个数是不是素数的函数。

def is_prime(num):"""判断一个数是不是素数"""for factor in range(2, int(num ** 0.5) + 1):if num % factor == 0:return Falsereturn True if num != 1 else False

4.3.4、练习4：写一个程序判断输入的正整数是不是回文素数。

if __name__ == '__main__':num = int(input('请输入正整数: '))if is_palindrome(num) and is_prime(num):print('%d是回文素数' % num)

注意：通过上面的程序可以看出，当我们将代码中重复出现的和相对独立的功能抽取成函数后，我们可以组合使用这些函数来解决更为复杂的问题，这也是我们为什么要定义和使用函数的一个非常重要的原因。

4.4、变量的作用域

def foo():b = 'hello'# Python中可以在函数内部再定义函数def bar():c = Trueprint(a)print(b)print(c)bar()# print(c)  # NameError: name 'c' is not definedif __name__ == '__main__':a = 100# print(b)  # NameError: name 'b' is not definedfoo()

上面的代码能够顺利的执行并且打印出100、hello和True，但我们注意到了，在bar函数的内部并没有定义a和b两个变量，那么a和b是从哪里来的。我们在上面代码的if分支中定义了一个变量a，这是一个全局变量（global variable），属于全局作用域，因为它没有定义在任何一个函数中。在上面的foo函数中我们定义了变量b，这是一个定义在函数中的局部变量（local variable），属于局部作用域，在foo函数的外部并不能访问到它；但对于foo函数内部的bar函数来说，变量b属于嵌套作用域，在bar函数中我们是可以访问到它的。bar函数中的变量c属于局部作用域，在bar函数之外是无法访问的。事实上，Python查找一个变量时会按照“局部作用域”、“嵌套作用域”、“全局作用域”和“内置作用域”的顺序进行搜索，前三者我们在上面的代码中已经看到了，所谓的“内置作用域”就是Python内置的那些标识符，我们之前用过的input、print、int等都属于内置作用域。

再看看下面这段代码，我们希望通过函数调用修改全局变量a的值，但实际上下面的代码是做不到的。

def foo():a = 200print(a)  # 200if __name__ == '__main__':a = 100foo()print(a)  # 100

在调用foo函数后，我们发现a的值仍然是100，这是因为当我们在函数foo中写a = 200的时候，是重新定义了一个名字为a的局部变量，它跟全局作用域的a并不是同一个变量，因为局部作用域中有了自己的变量a，因此foo函数不再搜索全局作用域中的a。如果我们希望在foo函数中修改全局作用域中的a，代码如下所示。

def foo():global aa = 200print(a)  # 200if __name__ == '__main__':a = 100foo()print(a)  # 200

我们可以使用global关键字来指示foo函数中的变量a来自于全局作用域，如果全局作用域中没有a，那么下面一行的代码就会定义变量a并将其置于全局作用域。同理，如果我们希望函数内部的函数能够修改嵌套作用域中的变量，可以使用nonlocal关键字来指示变量来自于嵌套作用域。

在实际开发中，我们应该尽量减少对全局变量的使用，因为全局变量的作用域和影响过于广泛，可能会发生意料之外的修改和使用，除此之外全局变量比局部变量拥有更长的生命周期，可能导致对象占用的内存长时间无法被垃圾回收。事实上，减少对全局变量的使用，也是降低代码之间耦合度的一个重要举措，同时也是对迪米特法则的践行。减少全局变量的使用就意味着我们应该尽量让变量的作用域在函数的内部，但是如果我们希望将一个局部变量的生命周期延长，使其在定义它的函数调用结束后依然可以使用它的值，这时候就需要使用闭包。

说明： 很多人经常会将“闭包”和“匿名函数”混为一谈，但实际上它们并不是一回事，如果想了解这个概念，可以看看维基百科的解释或者知乎上对这个概念的讨论。

说了那么多，其实结论很简单，从现在开始我们可以将Python代码按照下面的格式进行书写，这一点点的改进其实就是在我们理解了函数和作用域的基础上跨出的巨大的一步。

def main():# Todo: Add your code herepassif __name__ == '__main__':main()