第三章 流程控制语句

在实际编程中，代码并不总是按照从上到下的顺序逐行执行。很多时候，我们需要根据不同的条件选择执行不同的代码路径，或者需要重复执行某段代码。Python 提供了丰富的流程控制语句来满足这些需求。本章将深入介绍分支结构、循环结构以及相关的控制语句，帮助读者编写出逻辑清晰、功能强大的程序。

3.1 分支结构

分支结构允许程序根据条件的真假来选择执行不同的代码块。Python 中使用 if、elif 和 else 关键字实现分支。

3.1.1 单分支 if 语句

if 语句是最基本的条件判断结构，其语法格式如下：

if 条件:
    代码块

注意：Python 靠代码缩进来识别代码范围，所以条件成立时要执行的代码前，必须加空格，且同一个代码块中的所有代码需保持统一的缩进。

当条件表达式的结果为 True 时，执行缩进的代码块；否则跳过该代码块。需要注意的是，条件后面必须跟一个冒号，代码块必须缩进（通常使用4个空格）。

示例1：检查数字是否为正数

num = 10
if num > 0:
    print(f"{num} 是一个正数")

示例2：简单的登录验证

username = "admin"
if username == "admin":
    print("欢迎管理员登录")

3.1.2 双分支 if-else 语句

当需要在条件为真和为假时执行不同的操作，可以使用 if-else 结构：

if 条件:
    代码块1
else:
    代码块2

示例1：判断奇偶性

number = 7
if number % 2 == 0:
    print(f"{number} 是偶数")
else:
    print(f"{number} 是奇数")

示例2：根据年龄判断是否允许观影

age = 16
if age >= 18:
    print("允许观看限制级影片")
else:
    print("只允许观看普通影片")

3.1.3 多分支 if-elif-else 语句

当需要判断多个条件时，可以使用 elif（即 else if 的缩写）。elif 可以有任意多个，最后的 else 是可选的。

if 条件1:
    代码块1
elif 条件2:
    代码块2
elif 条件3:
    代码块3
...
else:
    代码块n

注意 ：分支语句的各个分支为互斥关系，程序会从上到下依次判断条件，一旦某个条件为真，就执行对应的代码块，然后跳过整个 if-elif-else 结构。如果所有条件都为假，则执行 else 后的代码块（如果有）。

示例1：成绩等级评定

score = 76
if score >= 90:
    grade = 'A'
elif score >= 80:
    grade = 'B'
elif score >= 70:
    grade = 'C'
elif score >= 60:
    grade = 'D'
else:
    grade = 'F'
print(f"你的成绩等级为：{grade}")

示例2：根据温度给出穿衣建议

temp = 22
if temp > 30:
    advice = "穿短袖，注意防暑"
elif temp > 20:
    advice = "穿长袖，天气舒适"
elif temp > 10:
    advice = "穿外套，小心着凉"
else:
    advice = "穿棉袄，注意保暖"
print(advice)

3.1.4 嵌套 if 语句

在条件判断中，可以在一个分支内部再嵌入另一个 if 语句，形成嵌套结构。嵌套时需要注意缩进层次，同级的代码须有一致的缩进。

示例1：判断一个数是否为正数，如果是正数再判断是否为偶数

num = 8
if num > 0:
    print(f"{num} 是正数")
    if num % 2 == 0:
        print(f"{num} 也是偶数")
    else:
        print(f"{num} 是奇数")
else:
    print(f"{num} 不是正数")

示例2：模拟用户登录权限验证

username = "alice"
password = "123456"
if username == "alice":
    if password == "123456":
        print("登录成功，欢迎 alice")
    else:
        print("密码错误")
else:
    print("用户名不存在")

3.1.5 条件表达式（三元运算符）

Python 还提供了一种简洁的条件表达式，也称为三元运算符，用于根据条件返回不同的值。语法格式为：

条件为真时的值 if 条件 else 条件为假时的值

示例1：获取两个数中的较大值

a, b = 10, 20
max_value = a if a > b else b
print(f"较大值是：{max_value}")

示例2：根据分数判断及格状态

score = 55
status = "及格" if score >= 60 else "不及格"
print(f"考试状态：{status}")

3.1.6 match 语句（Python 3.10+）

从 Python 3.10 开始，引入了 match 语句，也称为"结构化模式匹配"。它类似于其他语言中的 switch-case 语句，但功能更强大，支持匹配多种模式（如字面量、变量、序列、映射等）。match 语句可以让代码在处理多个分支时更加清晰和简洁。

基本语法：

match 表达式:
    case 模式1:
        代码块1
    case 模式2:
        代码块2
    ...
    case _:
        代码块n   # _ 是通配符，匹配任意值

match 后的表达式会被求值，然后从上到下与每个 case 后的模式进行匹配。一旦匹配成功，就执行对应的代码块，然后退出 match 语句（不需要显式 break）。如果没有任何模式匹配，且提供了 case _（通配符），则执行该分支；否则不执行任何操作。

示例1：匹配字面量

status_code = 404

match status_code:
    case 200:
        print("请求成功")
    case 404:
        print("资源未找到")
    case 500:
        print("服务器内部错误")
    case _:
        print("未知状态码")
# 输出：资源未找到

示例2：使用 | 匹配多个模式

可以在一个 case 中匹配多个值，用 | 分隔。

day = "周六"

match day:
    case "周一" | "周二" | "周三" | "周四" | "周五":
        print("工作日")
    case "周六" | "周日":
        print("周末")
    case _:
        print("无效的星期")
# 输出：周末

示例3：匹配序列（如列表、元组）

point = (0, 5)

match point:
    case (0, 0):
        print("原点")
    case (0, y):
        print(f"点在 y 轴上，y = {y}")
    case (x, 0):
        print(f"点在 x 轴上，x = {x}")
    case (x, y):
        print(f"点坐标为 ({x}, {y})")
    case _:
        print("不是二维点")
# 输出：点在 y 轴上，y = 5

这里的 x、y 是变量，会自动绑定到匹配到的值。

示例4：使用 if 守卫

可以在 case 后添加 if 条件来进一步限制匹配。

command = "move"
x = 10

match command:
    case "move" if x > 0:
        print(f"向右移动 {x} 步")
    case "move":
        print("不移动")
    case _:
        print("其他指令")
# 输出：向右移动 10 步

示例5：匹配字典（映射）

data = {"name": "张三", "age": 18}

match data:
    case {"name": name, "age": age}:
        print(f"姓名：{name}，年龄：{age}")
    case {"name": name}:
        print(f"姓名：{name}，年龄未知")
    case _:
        print("数据格式错误")
# 输出：姓名：张三，年龄：18

示例6：匹配对象（类实例）

match 也可以匹配特定类的实例，并提取属性。

class Point:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

p = Point(3, 4)

match p:
    case Point(x=0, y=0):
        print("原点")
    case Point(x=x, y=y):
        print(f"点坐标为 ({x}, {y})")
# 输出：点坐标为 (3, 4)

注意 ：match 语句是 Python 3.10 的新特性，如果你的 Python 版本较低，则无法使用。但在新项目中，它能让代码更加优雅。

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3.2 循环结构

循环结构用于重复执行某段代码，直到满足特定条件为止。Python 提供了两种主要循环：while 循环和 for 循环。

3.2.1 while 循环

while 循环在条件为真时反复执行代码块。其基本语法如下：

while 条件:
    循环体

每次执行循环体前都会检查条件，如果条件为 True，则执行循环体；否则退出循环。如果条件永远为真，则会形成无限循环，通常需要配合 break 退出。

基本用法

示例1：计算 1 到 100 的和

total = 0
i = 1
while i <= 100:
    total += i
    i += 1
print("1 到 100 的和为：", total)

示例2：倒计时

countdown = 5
while countdown > 0:
    print(f"倒计时：{countdown}")
    countdown -= 1
print("时间到！")

while 循环与 else 子句

Python 的循环（包括 while 和 for）可以附带一个 else 子句，该子句在循环正常结束 （即没有被 break 中断）时执行。

示例：查找列表中是否存在负数

numbers = [3, 5, 7, -1, 9]
i = 0
while i < len(numbers):
    if numbers[i] < 0:
        print("发现负数，停止查找")
        break
    i += 1
else:
    print("列表中没有负数")

由于列表中存在负数，break 触发，else 块不会执行。如果列表中没有负数，循环正常结束后会执行 else 块。

无限循环

无限循环通常用于需要一直运行直到满足某个条件才退出的场景，比如服务器监听、游戏主循环等。使用 while True 配合 break 实现。

示例：简单的命令解释器

while True:
    command = input("请输入指令（输入 'exit' 退出）：")
    if command == 'exit':
        print("程序结束")
        break
    elif command == 'hello':
        print("你好！")
    else:
        print(f"未知指令：{command}")

3.2.2 for 循环

for 循环通常用于遍历可迭代对象。在 Python 中，对象 是数据的抽象表示，几乎所有的数据都是对象，比如数字 10、字符串 "hello"、列表 [1,2,3] 等。如果一个对象可以被遍历 （即可以依次取出其中的每一个元素），那么它就是可迭代对象 。例如字符串可以逐个取出字符，列表可以逐个取出元素，由 range() 生成的整数序列也是可迭代对象。

其基本语法为：

for 变量 in 可迭代对象:
    循环体

在 for 循环中，变量 会在每次迭代时被赋值为可迭代对象中的下一个元素，然后执行循环体。如果变量在 for 循环之前没有被定义，这个变量会在 for 语句中隐式定义（即不需要用户自己定义，编译器自动定义），它的作用范围是当前循环体或全局作用域（取决于循环所在的位置）。循环结束后，该变量仍然存在，并保留最后一次迭代的值。

for ch in "ABC":
    print(ch)
print("循环结束后 ch =", ch)  # 输出 C

遍历字符串

示例：遍历字符串

word = "Python"
for ch in word:
    print(ch, end='-')   # 输出 P-y-t-h-o-n-

注意 ：print(ch, end='-') 中的 end='-' 表示每次打印后不换行，而是以 - 结尾。默认情况下 print() 会在输出后自动换行，通过指定 end 参数可以改变这一行为，使得所有字符打印在同一行，并用 - 分隔。

遍历列表

列表是用方括号 [] 括起来的一组数据，可以包含任意类型的元素。例如：

cities = ["北京", "上海", "广州", "深圳"]   # 这是一个列表
for city in cities:
    print(f"{city} 是中国的一线城市")

遍历元组

元组与列表类似，但使用圆括号 () 表示，且元组一旦创建就不能修改（不可变）。元组也是可迭代对象，可以用 for 遍历。例如：

point = (10, 20)   # 这是一个元组，表示坐标
for coord in point:
    print(coord)    # 依次输出 10 和 20

关于列表和元组的更多细节，将在后续章节中详细讲解。

range() 函数

range() 用于生成一个整数序列，常与 for 循环配合使用。其常见用法：

• range(stop)：生成从 0 到 stop-1 的整数。
• range(start, stop)：生成从 start 到 stop-1 的整数。
• range(start, stop, step)：生成从 start 到 stop-1，步长为 step 的整数。

示例1：输出 0~9

for i in range(10):
    print(i, end=' ')   # 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

示例2：输出 5~15 的奇数

for i in range(5, 16, 2):
    print(i, end=' ')   # 5 7 9 11 13 15

示例3：倒序输出 10~1

for i in range(10, 0, -1):
    print(i, end=' ')   # 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

循环嵌套

循环可以嵌套使用，即在一个循环内部再包含另一个循环。常用于处理二维数据结构或生成表格数据。

示例：打印乘法表

for i in range(1, 10):
    for j in range(1, i + 1):
        print(f"{j}×{i}={i * j:2}", end="  ")
    print()

输出：

1×1= 1  
1×2= 2  2×2= 4  
1×3= 3  2×3= 6  3×3= 9  
1×4= 4  2×4= 8  3×4=12  4×4=16  
...

3.2.3 循环控制语句

Python 提供了 break、continue 和 pass 来控制循环的执行流程。

break 语句

break 用于立即终止当前循环（无论是否还有未迭代的元素），跳出循环体。

示例：查找第一个能被 7 整除的数

numbers = [3, 8, 14, 25, 21, 30]
for num in numbers:
    if num % 7 == 0:
        print(f"找到第一个能被7整除的数：{num}")
        break

continue 语句

continue 用于跳过当前迭代的剩余代码，直接进入下一次循环。

示例：输出 1~10 中不能被 3 整除的数

for i in range(1, 11):
    if i % 3 == 0:
        continue
    print(i, end=' ')   # 1 2 4 5 7 8 10

pass 语句

pass 是一个空操作语句，它什么也不做，通常用作占位符，在语法上需要语句但逻辑上尚未实现的地方使用。

示例：预留函数实现

def my_function():
    pass   # 将来在这里实现具体功能

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3.3 辅助函数

Python 提供了一些内置函数，可以极大地简化循环的编写，特别是在需要索引或并行遍历时。

3.3.1 enumerate() 函数

enumerate() 用于将一个可迭代对象转换为索引和值的元组序列，常用于需要同时获取元素及其索引的场景。语法为：

enumerate(iterable, start=0)   # start 指定索引起始值，默认为 0

示例1：输出带行号的文本

lines = ["第一行", "第二行", "第三行"]
for idx, line in enumerate(lines, start=1):
    print(f"{idx}: {line}")

输出：

1: 第一行
2: 第二行
3: 第三行

示例2：查找列表中最大值的索引

nums = [4, 7, 2, 9, 5]
max_value = max(nums)
for i, v in enumerate(nums):
    if v == max_value:
        print(f"最大值 {max_value} 的索引是 {i}")

3.3.2 zip() 函数

zip() 用于将多个可迭代对象"打包"成元组，然后返回这些元组组成的迭代器。常用于并行遍历多个序列。语法为：

zip(iterable1, iterable2, ...)

示例1：合并两个列表

names = ["赵一", "钱二", "孙三"]
ages = [20, 21, 22]
for name, age in zip(names, ages):
    print(f"{name} 今年 {age} 岁")

示例2：将三个列表组合成字典

keys = ["name", "age", "city"]
values = ["Alice", 25, "北京"]
info = dict(zip(keys, values))
print(info)   # {'name': 'Alice', 'age': 25, 'city': '北京'}

示例3：处理不等长序列

a = [1, 2, 3]
b = ['a', 'b', 'c', 'd']
for x, y in zip(a, b):
    print(x, y)   # 输出三行，第四个元素 'd' 被忽略

如果需要保留所有元素，可以使用 itertools.zip_longest()。

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3.4 综合实例

实例1：猜数字游戏

程序随机生成一个 1~100 的整数，用户输入猜测的数字，程序提示"猜大了"、"猜小了"或"猜对了"，并统计猜的次数。增加限制：最多猜 7 次，超过则失败。

import random

target = random.randint(1, 100)
max_attempts = 7
attempts = 0

print("欢迎参加猜数字游戏！")
print(f"你最多有 {max_attempts} 次机会。")

while attempts < max_attempts:
    try:
        guess = int(input("请输入你的猜测（1~100）："))
    except ValueError:
        print("请输入有效的整数！")
        continue
    
    attempts += 1
    
    if guess < target:
        print("猜小了！")
    elif guess > target:
        print("猜大了！")
    else:
        print(f"恭喜你，猜对了！数字是 {target}")
        print(f"你用了 {attempts} 次机会。")
        break
else:
    print(f"很遗憾，机会用尽。正确的数字是 {target}。")

实例2：打印直角三角形图案

根据用户输入的行数，打印由星号组成的直角三角形。

rows = int(input("请输入行数："))

# 左对齐直角三角形
for i in range(1, rows + 1):
    print('*' * i)

# 右对齐直角三角形
for i in range(1, rows + 1):
    spaces = ' ' * (rows - i)
    stars = '*' * i
    print(spaces + stars)

# 金字塔形
for i in range(1, rows + 1):
    spaces = ' ' * (rows - i)
    stars = '*' * (2 * i - 1)
    print(spaces + stars)

实例3：统计字符串中各类字符的数量

用户输入一个字符串，程序统计其中大写字母、小写字母、数字和其他字符的个数。

text = input("请输入一个字符串：")
upper_count = lower_count = digit_count = other_count = 0

for ch in text:
    if ch.isupper():
        upper_count += 1
    elif ch.islower():
        lower_count += 1
    elif ch.isdigit():
        digit_count += 1
    else:
        other_count += 1

print(f"大写字母：{upper_count}")
print(f"小写字母：{lower_count}")
print(f"数字：{digit_count}")
print(f"其他字符：{other_count}")

实例4：模拟用户登录系统

设计一个简单的登录系统，用户有三次机会输入用户名和密码。预设正确的用户名和密码分别为 "admin" 和 "123456"。

correct_username = "admin"
correct_password = "123456"
max_attempts = 3

for attempt in range(1, max_attempts + 1):
    print(f"第 {attempt} 次尝试（共 {max_attempts} 次）")
    username = input("用户名：")
    password = input("密码：")
    
    if username == correct_username and password == correct_password:
        print("登录成功！")
        break
    else:
        if attempt < max_attempts:
            print("用户名或密码错误，请重试。")
        else:
            print("尝试次数过多，账户已锁定。")

实例5：使用 zip 和 enumerate 生成带序号的学生成绩单

students = ["小明", "小红", "小刚", "小丽"]
scores = [88, 95, 78, 90]

print("序号\t姓名\t成绩")
for idx, (name, score) in enumerate(zip(students, scores), start=1):
    print(f"{idx}\t{name}\t{score}")

输出：

序号	姓名	成绩
1	小明	88
2	小红	95
3	小刚	78
4	小丽	90

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3.5 总结

本章详细介绍了 Python 的流程控制语句，包括：

• 分支结构 ：if、if-else、if-elif-else、嵌套 if、条件表达式（三元运算符）以及 Python 3.10+ 引入的 match 语句。
• 循环结构 ：while 循环（含 else 子句）、for 循环（遍历字符串、列表、元组等可迭代对象）、range() 函数的使用。特别介绍了可迭代对象的概念以及 for 循环中变量的作用范围。
• 循环控制 ：break、continue、pass 的作用与区别。
• 辅助函数 ：enumerate() 和 zip() 在循环中的便捷应用。
• 综合实例：通过多个实际案例展示了流程控制语句的综合运用。

掌握这些语句是编写复杂程序的基础。在后续章节中，我们将学习函数、模块和文件操作等更高级的内容。希望读者能通过大量练习，熟练运用这些流程控制结构。