Python 控制流：掌握条件判断和循环

介绍

控制流（Control flow）是单个语句、指令或函数调用被执行或评估的顺序。Python 程序的控制流由条件语句、循环和函数调用来调节。

在这个 Lab 中，你将学习控制 Python 程序执行的核心概念。你将探索使用 if 语句的条件逻辑、各种运算符、新的 match-case 语句，以及使用 while 和 for 循环的迭代。到这个 Lab 结束时，你将能够编写更具动态性和强大功能的 Python 程序。

比较运算符和布尔运算符

在这一步，你将学习如何使用比较运算符和布尔运算符来构建逻辑表达式。这些表达式对于控制流至关重要，因为它们评估的结果是 True 或 False，这决定了程序的执行流程。

比较运算符

比较运算符用于比较两个值。下表列出了一些常用的比较运算符：

运算符	含义
`==`	等于 (Equal to)
`!=`	不等于 (Not equal to)
`<`	小于 (Less than)
`>`	大于 (Greater Than)
`<=`	小于或等于 (Less than or Equal to)
`>=`	大于或等于 (Greater than or Equal to)

这些运算符的评估结果是 True 或 False。例如，42 == 42 的结果是 True，但 42 == '42' 的结果是 False，因为它们的类型（整数和字符串）不同。

布尔运算符

布尔运算符有三个：and、or 和 not。它们用于组合或反转布尔值。它们的优先级顺序是：not 优先，然后是 and，最后是 or。

and 运算符仅当两个表达式都为真时才返回 True。 or 运算符只要至少有一个表达式为真就返回 True。 not 运算符反转布尔值（not True 变为 False）。

混合使用运算符

你可以组合比较运算符和布尔运算符来创建更复杂的逻辑表达式。

注意： 如果你不熟悉使用 WebIDE（类似 VS Code），请先在这个 Lab 学习如何使用。

例如：

(4 < 5) and (5 < 6)

输出：

True

现在，让我们来练习一下。从左侧的文件浏览器中打开 operators_example.py 文件。将以下代码添加到该文件中。此代码组合了多个运算符来评估单个布尔结果。

## operators_example.py
result = 2 + 2 == 4 and not 2 + 2 == 5 and 2 * 2 == 2 + 2
print(result)

要运行该脚本，请在 WebIDE 中打开一个终端并执行以下命令：

python3 operators_example.py

你应该会看到以下输出，因为该表达式评估结果为 True：

True

If 语句和三元运算符

在这一步，你将学习如何使用 if、elif 和 else 语句来控制程序流，根据特定条件执行代码块。这一步还将介绍三元条件运算符（Ternary conditional operator），用于编写简洁的单行条件表达式。

`if`、`elif` 和 `else` 语句

如果 if 语句的条件为 True，则执行其代码块。
如果前面的 if 或 elif 条件为 False，则 elif（else if）语句检查另一个条件。
如果所有前面的 if 和 elif 条件都为 False，则 else 语句执行其代码块。

基本结构如下：

if condition1:
    ## 如果 condition1 为 True 则执行的代码
elif condition2:
    ## 如果 condition1 为 False 且 condition2 为 True 则执行的代码
else:
    ## 如果所有条件都为 False 则执行的代码

三元条件运算符

三元运算符提供了一种在一行中编写简单 if-else 语句的简写方式。其语法是：

<expression1> if <condition> else <expression2>

例如，print('kid' if age < 18 else 'adult') 是编写完整 if-else 块的一种紧凑方式。

现在，让我们练习使用完整的条件块。打开 if_example.py 文件，并添加以下代码。该脚本将检查 name 变量的值，并相应地打印不同的消息。

## if_example.py
name = 'Antony'

if name == 'Debora':
   print('Hi Debora!')
elif name == 'George':
   print('Hi George!')
else:
   print('Who are you?')

从终端运行该脚本：

python3 if_example.py

由于 name 是 'Antony'，if 条件和 elif 条件都不满足，因此执行 else 块。

输出：

Who are you?

Switch Case 语句 (匹配 - 案例语句)

在这一步，你将探索结构化模式匹配（Structural Pattern Matching），这是 Python 3.10 中引入的强大 switch-case 等效功能。你将练习匹配字面值、使用 OR 模式，并使用 match 和 case 关键字实现默认情况。

match 语句接受一个表达式，并将其值与一个或多个 case 块中提供的一个或多个模式进行比较。

基本匹配

你可以匹配字面值，如数字或字符串。

OR 模式

你可以使用 | (或) 运算符在单个 case 中组合多个字面值模式。例如，case 200 | 201:。

默认情况

下划线符号 (_) 是一个通配符，用于定义在没有其他任何情况匹配时执行的默认情况。

让我们来练习一下。打开 match_example.py 文件，并添加以下代码。该脚本使用 match 语句根据 HTTP 响应代码确定要执行的操作。

## match_example.py
response_code = 800

match response_code:
    case 200 | 201:
        print("OK")
    case 300 | 307:
        print("Redirect")
    case 400 | 401:
        print("Bad Request")
    case 500 | 502:
        print("Internal Server Error")
    case _:
        print("Invalid Code")

从你的终端运行该脚本：

python3 match_example.py

由于 response_code 是 800，它不匹配任何特定的情况，因此执行默认情况 (_)。

输出：

Invalid Code

While 循环和循环控制

在这一步，你将掌握 while 循环，用于只要条件为真就重复执行目标语句。你还将学习如何使用 break 语句来退出循环，以及使用 continue 语句来跳过当前迭代，从而管理循环行为。

`while` 循环

while 循环只要给定条件为 True，就会重复执行一个目标语句。确保条件最终变为 False 以避免无限循环至关重要。

`break` 语句

break 语句会终止当前循环，并像 C 语言中的传统 break 一样，在下一条语句处恢复执行。

`continue` 语句

continue 语句会拒绝循环当前迭代中所有剩余的语句，并将控制权移回循环的顶部。

让我们创建一个简单的 while 循环。打开 while_example.py 文件，并添加以下代码。该脚本将打印五次消息。

## while_example.py
spam = 0
while spam < 5:  ## 只要 spam 小于 5 就继续
    print('Hello, world.')
    spam = spam + 1  ## 增加计数器以避免无限循环

现在，从终端运行该脚本：

python3 while_example.py

只要 spam 小于 5，循环就会执行。在每次迭代中，spam 增加 1。

输出：

Hello, world.
Hello, world.
Hello, world.
Hello, world.
Hello, world.

For 循环和迭代

在这一步，你将使用 for 循环来迭代序列（如列表或字符串）中的项。本步骤涵盖了如何使用 range() 函数循环特定的次数，for 循环中可选的 else 块，以及如何使用 sys.exit() 完全终止程序。

`for` 循环

for 循环用于迭代一个序列（该序列可以是列表、元组（tuple）、字典（dictionary）、集合（set）或字符串）。

`range()` 函数

range() 函数生成一个数字序列，这对于循环特定的次数非常有用。

range(stop): 生成从 0 开始到 stop（不包括 stop）的数字。
range(start, stop): 生成从 start 开始到 stop（不包括 stop）的数字。
range(start, stop, step): 生成从 start 开始到 stop（不包括 stop）的数字，步长为 step。

使用 `sys.exit()` 结束程序

可以调用 sys.exit() 函数立即终止程序。你必须先 import sys 才能使用它。

让我们练习使用带 range() 的 for 循环。打开 for_example.py 文件，并添加以下代码。该脚本将打印从 0 到 8 的偶数。

## for_example.py
## range(start, stop, step)
for i in range(0, 10, 2):
   print(i)

从终端运行该脚本：

python3 for_example.py

range(0, 10, 2) 函数生成从 0 开始，到 10（不包括 10）结束，步长为 2 的数字。

输出：

总结

恭喜你完成了本次实验（Lab）！你现在已经掌握了 Python 中控制流的基本概念。

在本次实验中：

你学习了如何使用比较运算符和布尔运算符来构建逻辑条件。
你练习了使用 if、elif 和 else 语句以及简洁的三元运算符来控制程序执行。
你探索了 Python 3.10 中强大的 match-case 语句，用于结构化模式匹配（structural pattern matching）。
你学习了如何使用 while 和 for 创建循环，并使用 break 和 continue 控制它们的行为。

掌握了这些技能后，你现在可以编写更复杂、更智能的 Python 程序，这些程序能够做出决策并重复执行任务。

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