Python: Цикл While

Программы, которые мы пишем, становятся всё сложнее и объемнее. Они все ещё очень далеки от реальных программ, где количество строк кода измеряется десятками и сотнями тысяч (а иногда и миллионами), но текущая сложность уже способна заставить напрячься людей без опыта. Начиная с этого урока, мы переходим к одной из самых сложных базовых тем в программировании – циклам.

Любые прикладные программы служат очень прагматичным целям. Они помогают управлять сотрудниками, финансами, развлекают, в конце концов. Несмотря на различия, все эти программы выполняют заложенные в них алгоритмы, которые очень похожи между собой. Что это такое? Алгоритм — это последовательность действий (инструкций), которая приводит нас к некоему ожидаемому результату. В принципе, это описание подходит под любую программу, но под алгоритмами обычно понимается что-то более специфичное.

Представьте себе, что у нас есть книга и мы хотим найти внутри неё какую-то конкретную фразу. Саму фразу мы помним, но не знаем, на какой она странице. Как найти нужную страницу? Самый простой (и долгий) способ — последовательно просматривать страницы до тех пор, пока мы не найдем нужную. В худшем случае придется просмотреть все страницы, но результат мы всё равно получим. Именно этот процесс и называется алгоритмом. Он включает в себя логические проверки (нашли ли фразу) и перебор страниц. Количество страниц, которое придется посмотреть, заранее неизвестно, но сам процесс просмотра повторяется из раза в раз совершенно одинаковым образом. Для выполнения повторяющихся действий как раз и нужны циклы. Каждый повтор, в таком случае, называется итерацией.

Напишем функцию с простым циклом, который будет n раз выводить на экран строку 'Hello!':

def print_hello(n):
    counter = 0
    while counter < n:
        print('Hello!')
        counter = counter + 1

print_hello(2)

Hello!
Hello!

Теперь подробно проанализируем пример функции с циклом, который выводит на экран числа от 1 до числа-аргумента:

print_numbers(3)
# => 1
# => 2
# => 3

Эту функцию невозможно реализовать уже изученными средствами, так как количество выводов на экран заранее неизвестно. А с циклами это не составит никаких проблем:

def print_numbers(last_number):
    # i сокращение от index (порядковый номер)
    # используется по общему соглашению во множестве языков
    # как счетчик цикла
    i = 1
    while i <= last_number:
        print(i)
        i = i + 1
    print('finished!')

print_numbers(3)

1
2
3
finished!

Цикл while состоит из трёх элементов:

• Ключевое слово while.
• Предикат. Условие, которое указывается после while. Это условие вычисляется на каждой итерации.
• Блок кода (тело цикла).

Каждое выполнение тела называется итерацией. В нашем примере вызов print_numbers(3) породил три итерации, на каждой из которых была выведена на экран переменная i.

Конструкция читается так: «делать то, что указано в теле цикла пока истинно условие (предикат) i <= last_number». Разберём работу этого кода для вызова print_numbers(3):

# Инициализируется i
i = 1

# Предикат возвращает true, поэтому выполняется тело цикла
while 1 <= 3
# print(1)
# i = 1 + 1

# Закончилось тело цикла, поэтому происходит возврат в начало
while 2 <= 3
# print(2)
# i = 2 + 1

# Закончилось тело цикла, поэтому происходит возврат в начало
while 3 <= 3
# print(3)
# i = 3 + 1

# Предикат возвращает false, поэтому выполнение переходит за цикл
while 4 <= 3

# print('finished!');
# На этом этапе i равен 4, но он нам уже не нужен
# функция завершается

Самое главное в цикле — завершение (выход). Процесс, который порождает цикл, должен в конце концов остановиться. Ответственность за остановку полностью лежит на программисте.

Обычно задача сводится к введению переменной, называемой «счётчиком цикла». Сначала он инициализируется, то есть ему задаётся начальное значение. В нашем примере это строчка i = 1. Затем в условии цикла проверяется, не достиг ли счётчик своего предельного значения.

В нашем примере предельное значение определяется аргументом функции. Если условие цикла не выполнено, то тело не выполняется и интерпретатор двигается дальше, выполняя инструкции после цикла. Но если условие цикла истинно, то выполняется тело, в котором находится ключевой элемент остановки — изменение счетчика. Обычно его делают в конце тела, и это изменение — одно из редких мест, где невозможно обойтись без переменной. В нашем примере за изменение отвечает строчка i = i + 1.

На этом моменте новички делают больше всего ошибок. Например, случайно забытое увеличение счётчика или неправильная проверка в предикате способны привести к зацикливанию. Это ситуация, при которой цикл работает бесконечно и программа никогда не останавливается. В таком случае приходится её завершать принудительно (кто знает, может быть когда зависают реальные программы, в этот момент внутри них выполняется бесконечный цикл).

def print_numbers(last_number):
    i = 1
    # Этот цикл никогда не остановится
    # и будет печатать всегда одно значение
    while i <= last_number:
        print(i)
    print('finished!')

В некоторых случаях бесконечные циклы полезны. Здесь мы такие случаи не рассматриваем, но полезно видеть как выглядит этот код:

while True:
    # Что-то делаем

Подводя итог. Когда всё же нужны циклы, а когда можно обойтись без них? Физически невозможно обойтись без циклов тогда, когда алгоритм решения задачи требует повторения каких-то действий, как в примере с книгой, и количество этих операций заранее неизвестно.

Задание

Модифицируйте функцию print_numbers() так, чтобы она выводила числа в обратном порядке. Для этого нужно идти от верхней границы к нижней. То есть счётчик должен быть инициализирован максимальным значением, а в теле цикла его нужно уменьшать до нижней границы.

Пример вызова и вывода:

print_numbers(4)

4
3
2
1
finished!

Определения

• Цикл While - инструкция для повторения кода, пока удовлетворяется какое-то условие.