本文介绍python中的while循环、for循环。在python中for可以用于循环,也可用于另一种近亲的列表解析,列表解析是python中非常重要的特性,详细内容见后面的文章。
一般来说,python写for循环比写while更容易、方便,而且python中的for比while效率要更高,如果可以,用for而不是while。

while循环

python中的while/for循环和其它语言的while循环有些不一样,它支持else分支。结构如下:

while <CONDITION>:
    CODE
else:
    CODE_ELSE

注意,condition部分只能是表达式,不能是语句,所以condition中不能包含赋值语句,如while a = x:是错误的。
while和for的else分支表示当正常退出while/for循环的时候所执行的代码分支。所谓正常退出,是指不是通过break跳出的情况,也就是正常把所有循环条件轮完的情况。这对于那些需要通过设置标志位来判断的情况来说非常方便,而标志位通常是用于离开循环的时候,提供一个额外的标记、通知功能,比如退出循环时想找的数据是否找到。
例如搜索一个列表,并在退出时告知是否找到。如果使用标志位来实现,如下:

found = False

while x and not found:
    if match(x[0]):
        print("found it")
        found = True
    else:
        x = x[1:]

if not found:
    print("not found")

如果通过else,则逻辑更清晰:

while x:
    if match(x[0]):
        print("found it")
        break
    x = x[1:]
else:
    print("not found")

再例如,判断一个数(如下面的y)是否是质数。

y = 21

x = y // 2
while x > 1:
    if y % x == 0:
        print( y, "has a factor: ", x)
        break
    x -= 1
else:
    print("y is a prime")

想象一下如果不使用while的else,上面的功能该如何实现。

pass、break、continue、else

这几个关键字都能用在while/for中。

  • break:退出整个循环(while/for),如果嵌套了循环,则退出break所在的那个层次
  • continue:直接跳到下一次循环
  • else:在循环正常退出(不是break中断的循环)时执行的所执行的默认代码块
  • pass:在python中作为空的占位符,表示什么也不做。比如: 
    if x:pass 
    while x:pass 
    def x():pass 
    class x:pass

在python 3.x中,pass的另一种方式是…,它也表示什么也不做的占位符。

for循环

python中的for是一个通用的序列迭代器,和bash的for语法类似。python中没有for(i=0;i<N;i++)的语法,但for结合range可以实现一样的功能,后文介绍。 
for语法:

python for i in <Sequence>: CODE else: CODE_ELSE 
每次迭代时,for从序列中取一个元素赋值给控制变量i,下一轮迭代取下一个元素再赋值给i。和其它语言不太一样,for中的控制变量不会在for循环完后消失,它会保持最后一个被迭代的元素值。之所以会这样,是因为其它语言中for是一个代码块,而python中for不算是代码块,也就是说没有自己的名称空间。
实际上不止序列,只要是可迭代的对象,都能用for进行遍历。关于什么是可迭代的,将专门在迭代器相关的文章中解释。
例如,遍历一个字符串,因为它是序列。

for i in 'xiaofang':
    print(i)

print("var i after: ",i)   # 输出g

遍历一个列表:

L = ["aa","bb","cc"]
for i in L:
    print(i)

嵌套:

L = ["aa","bb","cc"]
for i in L:
    for j in i:
        print(j)

计算序列中所有数值的和:

L = [1,2,3,4,5]
sum = 0
for i in L:
    sum += i

print(sum)

for迭代字典

for迭代字典时,迭代的是key。

D = {'a'1,
     'b'2,
     'c'3}

for key in D:
    print(key, "=>", D[key])

其它迭代字典的几种方式:
1.通过keys()迭代字典

for k in D.keys():
    print(key, "=>", D[key])

2.直接迭代字典的value

for v in D.values():
    print(v)

3.同时迭代key和value

for k, v in D.items():
    print(k, v)

for中的赋值和序列解包

for迭代时,实际上是从可迭代对象中取元素并进行赋值的过程,python中各种变量赋值的方式在for中都支持。而且,python中变量赋值是按引用赋值的,所以每次迭代过程中赋值给控制变量的是那个元素的引用,而不是拷贝这个元素并赋值给控制变量。所以,如果赋值给控制变量的是可变对象时,修改控制变量会直接修改原始数据。
例如:

T = [(12), (34), (56)]
for i in T:
     print(i)

for (a, b) in T:
    print(a, b)

输出:

(1, 2)
(3, 4)
(5, 6)
1 2
3 4
5 6

for还支持序列解包的赋值形式。
例如:

for (a, *b, c) in [(1234), (5678)]:
    print(a, b, c)

结果:

1 [234
5 [678

因为python是按引用赋值的,所以控制变量都是直接指向迭代元素的,而不是拷贝副本后进行赋值。看下面的结果:

L = [11112222]
print(id(L[0]))
print(id(L[1]))

print("-" * 15)

for i in L:
    print(id(i))

输出结果:

46990096
46990128
---------------
46990096
46990128

可见,变量i和列表中元素的内存地址是一致的。
正因为是按引用赋值,所以迭代过程中修改赋值给控制变量i的不可变对象时会创建新对象,从而不会影响原始数据,但如果赋值给i的是可变对象,则修改i会影响原始数据。
例如:

L = [11112222]

for i in L:
    i += 1

print(L)

列表L不会改变:
[1111, 2222]
而下面修改控制变量i会改变原始对象:

L = [[1],[1,2],[1,2,3],[1,2,3,4]]

for i in L:
    i.append(0)

print(L)

结果:
[[1, 0], [1, 2, 0], [1, 2, 3, 0], [1, 2, 3, 4, 0]]

for + range

python中并没有直接支持for i=0;i<N;i++的for语法,但是,通过for + range(),可以实现类似的功能。
先介绍一下range()。它像Linux下的seq命令功能一样,用来返回一些序列数值。range()返回一个迭代器,目前无需知道迭代器是什么,只需知道它可以转换成list、tuple、Set,然后可以在for中进行迭代。

>>> range(3)
range(03)

>>> list(range(3)),set(range(3)),tuple(range(3))
([012], {012}, (012))

可见,range()返回的序列值是前闭后开的。
还可以指定起始值,步进(每隔几个数)。

>>> list(range(1,5))
[1234]

>>> list(range(-1,5))
[-101234]

>>> list(range(-1,5,2))
[-113]

步进值指定为负数的时候,可以生成降序的序列值。

>>> list(range(10,5,-1))
[109876]

range()返回了生成序列值的迭代器后,可以用for来进行迭代。

for i in range(3):
    print(i)

range()还经常用于for中作为序列的索引位。例如:

L = ["a","b","c","d"]
for i in range(3):
    print(L[i])

分析for + range迭代的过程

下面两个例子,在结果上是等价的:

for i in range(3):
    print(i)

for i in [0,1,2]:
    print(i)

但除了结果上,过程并不一样。range()既然返回迭代器,说明序列数值是需要迭代一个临时生成一个的,也就是说range()从始至终在内存中都只占用一个数值的内存空间。而[0,1,2]则是在内存中占用一个包含3数值元素的列表,然后for从这个列表对象中按照索引进行迭代。
再通俗地解释下,for i in range(3)开始迭代的时候,生成一个数值0,第二次迭代再生成数值1,第三次迭代再生成数值2,在第一次迭代的时候,1和2都是不存在的。而[0,1,2]则是早就存在于内存中,for通过list类型编写好的迭代器进行迭代,每次迭代从已存在的数值中取一个元素。
所以,在效率上,使用range()要比直接解析列表要慢一点,但是在内存应用上,range()的方式要比直接解析已存在的列表要好,特别是列表较大的时候。一般来说,python中最简单的方式总是最好的、效率很大可能上也是最高的,所以能直接解析的时候,不使用range的效率总会更高一些。
这种效率的区别,也可以应用于其它迭代方式的分析上。例如,按行读取文件的两种方式:

for i in open("filename"):
    print(i)

for i in open("filename").readlines():
    print(i)

第一种方式,open()返回一个文件迭代器,每次需要迭代的时候才会去读需要的那一行,也就是说从始至终在内存中都只占用一行数据的空间。而第二种通过readlines()读取时,它会一次性将文件中所有行都读取到一个列表中,然后for去迭代这个列表。如果文件比较大,第二种方式可能会占用比较大的内存,甚至可能比原文件大小还要大,因为很可能会一次性为400M的文件分配500M内存,以免后续不断的内存分配。

for + range的步进以及分片

无论是range(),还是序列的分片计数,都支持步进。例如步进为2:

>>> list(range(1,6,2))
[135]

>>> L = [1,2,3,4,5]
>>> L[::2]
[135]

它们都能用于for。

for i in range(1,6,2):
    print(i)

L = [1,2,3,4,5]
for i in L[::2]:
    print(i)

它们的结果是一样的。但是和前面分析的一样,range除了在内存应用上比较有优势,在效率上是不及直接列表解析的,包括这里分片步进。

for修改列表元素

有一个列表,想要为列表中的值都加1。

L = [1,2,3,4]
for i in L:
    i += 1

这是无效的,虽然python中是按照引用进行赋值的,但数值类型是不可变类型,所以每次修改i实际上都会创建新的数据对象,并不会直接影响L中的元素。这些前文已经解释过了。
如果想要修改L本身,直接迭代L是没法实现的,可以通过迭代它的索引,然后通过索引的方式来修改L的元素值。例如:

L = [1,2,3,4]
for i in range(len(L)):
    L[i] += 1
print(L)       # 输出:[2,3,4,5]

通过while也可以实现。但更简单的方式是后面的文章要详细解释的”列表解析”:

L = [1,2,3,4]

L = [x + 1 for x in L]

print(L)

for迭代的陷阱

for是一个通用的迭代器,它按照next的方式一次取一个元素,下一轮迭代取下一个元素。所以,如果在for内部修改了正在迭代的序列(所以这里是说可变序列,且特指列表类型),可能会引起一些奇怪现象。
这是for的一个陷阱,或者说是迭代器的一个陷阱:迭代的对象在迭代过程中被修改了。
陷阱一

迭代操作是递归到数据对象中去的,而不是根据变量名进行迭代的。也就是说迭代的对象是内存中的数据对象。
例如:

L = [1,2,3,4]
for i in L:
    ...

这个for迭代器在迭代刚开始的时候,先找到L所指向的迭代对象,即内存中的[1,2,3,4]。如果迭代过程中如果L变成了一个集合,或另一个列表对象,for的迭代并不会收到影响。但如果是在原处修改这个列表,那么迭代将会收到影响,例如新增元素也会被迭代到。
看下面的例子:

L = ['a','b','c','d','e']

## 原处修改列表,新元素f、g也会被迭代
for i in L:
    if i in "de":
        L += ["f""g"]
    print(i)

## 创建新列表,新元素f、g不会被迭代
for i in L:
    if i in "de":
        L = L + ["f""g"]
    print(i)

陷阱二

例如,迭代一个列表,迭代过程中删除一个列表元素。

L = ['a','b','c','d','e']
for i in L:
    if i in "bc":
        L.remove(i)
        print(i)

print(L)

输出的结果将是:

b
['a''c''d''e']

这个for循环的本意是想删除b、c元素,但结果却只删除了b。通过结果可以发现,c根本就没有被for迭代。之所以会这样,是因为迭代到b的时候,满足if条件,然后删除了列表中的b元素。正因为删除操作,使得列表中b后面的元素整体前移一个位置,也就是c元素的索引位置变成了index=1,而index=1的元素已经被for迭代过(即元素b),使得c幸运地逃过了for的迭代。
如果迭代并修改的是集合或字典呢?将会报错。虽然它们是可变序列,但是它们是以hash key作为迭代依据的,只要增、删元素,就会导致整个对象的顺序hash key发生改变,这显然是编写这两种类型的迭代器时所需要避免的问题。如下:

D = {'a':1,
     'b':2,
     'c':3,
     'd':4,
     'e':5}

for i in D:
    if i in "bc":
        L.remove(i)
        print(i)

print(L)

报错:

Traceback (most recent call last):
  File "g:/pycode/lists.py", line 12in <module>
    for i in D:
RuntimeError: dictionary changed size during iteration
S = {'a','b','c','d','e'}

for i in S:
    if i in "bc":
        S.remove(i)
        print(i)

print(S)

报错:

Traceback (most recent call last):
  File "g:/pycode/lists.py", line 4in <module>
    for i in L:
RuntimeError: Set changed size during iteration

迭代并修改集合、字典是非常常见的需求,但很多第三方模块在迭代并修改它们的时候都隐隐忽略了这种问题。那么如何实现这种需求且不会出错?可以考虑迭代它们的副本,并修改它们自身。
例如:

D = {'a':1,'b':2,'c':3,'d':4,'e':5}

for i in D.copy():
    if i in "bc":
        D.pop(i)
        print(i)
print(D)


S = {'a','b','c','d','e'}

for i in S.copy():
    if i in "bc":
        S.remove(i)
        print(i)
print(S)

结果:

b
c
{'a'1'd'4'e'5}
c
b
{'e''d''a'}

注意,别使用dict的keys()函数,在python 2.x是可以的,因为返回的是一个列表,但是在python3.x中,它返回的是一个迭代器。
除了使用copy(),使用其它的方式也可以,只要保证迭代的对象和修改的对象不是同一个对象即可。例如,list()方法转换Set/Dict,在转换的过程中会创建新的数据对象,所以迭代和修改操作是互不影响的。

D = {'a':1,'b':2,'c':3,'d':4,'e':5}

for i in list(D):
    if i in "bc":
        D.pop(i)
        print(i)

print(D)

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