浅谈编程思维——循环结构

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在程序中循环结构是一个很重要的概念，但理解它并不难。先回忆一下上次说的分支结构。我们知道程序就是告诉计算机做事一系列命令。做任何事都有一定的顺序，程序执行就是基于分支结构和循环结构等形式有序的做事。我们使用的电脑操作系统，手机 APP 软件，无不受这个规律来支配着。分支结构决定走那条路，而循环确定了周而复始的运行。

循环，汉语意思事物周而复始地运动和变化。这其中有重复意思。在编程中循环有两重意思：repetition (重复), loop（环形回路）。因而好多编程书籍中循环结构的英文写法是「repetition structure, loop structure」。

说了抽象的解释，我们进入生活化场景。从重复层面入手，这种场景在生活中比比皆是。

例如某一个月黑风高的夜晚，你躺在床上辗转反侧无法入睡，怎么办呢？开始数羊，1只羊，2只羊，3只羊，4只羊，5只羊……也许无聊的睡着了，也许就更烦了。很正常，人类天生讨厌重复的东西。

这里告诉你一个好消息，计算机却最喜欢干重复的事情，我们讨厌的那些重复的事情，都可以交给它做。

比如在学校体育课上，体育老师告诉你们，先跑 10 圈，然后开始今天课程。你们在跑步，他在数着1,2,3,4……。到了第 10 圈，吹一声哨子，大家停止跑步重新列队。

体育老师也烦了数数，问我能不能用程序解决。我问他知道循环结构吗？他说不就是跑圈吗，我回答他对了一部分，这种事情只要用上循环结构，就可以轻松的搞定。

于是我信手拈来写下两行代码

for x in range(0,10): print(f"第{x}圈")

这段代码就是帮你们体育老师数数，数到10圈时停止。

和生活场景唯一的区别就是，计算机计算从 0 开始。当然也可以修改为从 1 开始,这样停止数就是 11 了。

for x in range(1,11): print(f"第{x}圈")

以上演示用的网红编程语言Python,它有 range这个关键字, 明确告诉你这个循环是有范围的。

其他编程语言大多数是这样写的：

for(let i=0;i<10;i++){ console.log("第"+i+"圈"); }

作为编程思维系列，至于哪个语言怎么写，真的很不重要。重要的是，你明白关于重复的事情，你可以告诉计算机这样做。把精彩留给自己，把无聊和重复给机器。

上一段中的 range 确定范围是有边界。而失眠数羊本质是没有边界，因为你不知道数到什么时间才能睡着。这种事情编程中当然也可以做到。

先用我们日常思维，通过顺序结构描述这个事情：

失眠，睡不着

开始数羊

1只羊，2只羊，3只羊，4只羊，5只羊……

睡着了

就不数了

现在用程序表示

step=1; while step<86400: print(f"第{step}羊") if step==1800: print("睡着了……") break step=step+1 

解释一下这段代码，失眠让你很痛苦，打算对自己狠一点，数一夜的羊，然后你数着数，数到 1800 只时你睡着了。然后这个循环结束了。

你可能还有点疑惑，刚才不是说无边界吗？怎么还搞了一个 86400 呢？

不过也可以不搞 86400，改为这样

step=1 while True: print(f"第{step}羊") if step==1800: print("睡着了……") break step=step+1 

你本打算一直数下去，但数到 1800 的时间睡着了。注意到了吗？我们必须预设 1800，不然就真睡不着了，这样写就会成为死循环了。

为什么呢？不引出数字可以解决问题吗？

先给答案，不能。为什么呢？这就是人类思维和计算机区别，现在我们使用的计算机全名是「数字电子计算机」。它能处理全部要转换电子数字信号。而我们的大脑的信号要复杂的多，因而在数羊的循环中，睡眠系统唤醒后立马入睡。

简单解释一下数字信号。你可能已经注意到了，这里很重要的两个字是「数字」。在古代边关军队通过长城烽火台的狼烟来表示是否有敌人入侵。相隔几百里的山头，看到远处狼烟冒起，知道外敌入侵，需要马上该集结部队。这里的狼烟是一种信号，这种信号叫模拟信号。这个很好理解，用狼烟模拟了敌人入侵。模拟信号，小朋友也经常用，如果你多观察小孩子一起玩耍场景，他们经常会说「假装你是谁谁」，这个假装就是模拟信号。

模拟信号你一定清楚了，模拟信号有个缺点就是可以表达含义比较单一。比如狼烟起了，知道敌人来了。但不知道来了多少敌人，该如何的做决策。

于是某年某月，一个聪明是士兵，先发明一个烟罩，烟罩可以控制烟不冒起来。聪明的士兵还设置了一个规则，把狼烟生起后，用烟罩控制狼烟冒起的次数，一次表示少量敌人来犯，需要加强警惕；两次表示敌人有一定的数量，需要集结军队；三次以上表示很危急。

这样通过控制狼烟的次数就可以表达出好多含义，传达很多信息。这位聪明士兵方法，被将军采纳后，各个边关将军达成了共识， 用他们约定好的方式来传达情报。

说到这里，想必你已经清楚啥叫数字信号了。再引申一点，将军们达成的共识就是编程中各种协议。计算机数字信号就是通过电路开和关表示的，开表示1，关闭表示0。知道计算机的底层为啥是二进制了吧。

再回到循环结构中，一种是有明确的边界，本质就是重复的执行。一种没有明确的边界，可以一直执行，但必须有个退出循环的时机，时机到了，这个循环得结束了。

这个世界上没有永恒的事物，我们经常说明天太阳照样从东边升起。但在宇宙学和数学上说太阳的寿命约为100亿年。100亿年后，太阳无法从东边升起，地球也不复存在了。循环也是，边界不明确的循环一般都有退出时机。如上面那个数羊的示例。也可以不设置边界，如果没有退出时机，那叫无限循环，或者是死循环。无限循环和死循环也会结束，它的结束大多是资源耗尽。例如太阳无限次升起，但等到太阳核聚变资源耗尽后，就不能再次升起了。

道理明白，来用循环思维解决一个实际问题。小学数学中鸡兔同笼。

有一些鸡和兔子被关在同一个笼子里，一共有10个头和26条腿，那么笼子中兔子和鸡各有几只？

这道题目美国数学课本推荐做法就是列表法：

从鸡开始列举，列举到 7 就可以得到正确答案了。

如果同样的题目，数字调大一点，这样列举就不合适了。

例如题目换为《孙子算经》中另一道很经典的题目：

三轮车和四轮车的数量一共是33辆，有100个轮子，请问有多少辆四轮车，多少辆三轮车？

这个数字比较鸡兔大了 3 倍多，如果想上题一样列举计算不是不可以，而是花费的时间较长。但列举的思路可以写成程序，让计算机算。

#总数33，100个轮子 for x in range(0,33): y=x*3+(33-x)*4 if y==100: print(f"有{x}个三轮车，有{33-x}四轮车") break

程序很快得出结论：

有 32 个三轮车，有 1 个四轮车

看到答案，再想象一下，如果按照上题目，从三轮车开始列举，要从 1 列举到 32，好麻烦啊！但用循环，结合分支结构，再结合一点 3 年级的数学，搞定这个题目就这样轻而易举。

说到这里，想必你对循环结构一定了解的七二八分了。循环结构在编程中实在太重要了。

总结一下，循环结构就是在特定情况下通过重复和循环往复执行相同的动作，寻找到某个东西或者达到某个目的。注意了，循环结构一定要有退出机制，不然就是死循环了。