Что представляет собой инструкция начинающаяся со слова while

Циклы являются такой же важной частью структурного программирования, как условные операторы. С помощью циклов можно организовать повторение выполнения участков кода. Потребность в этом возникает довольно часто. Например, пользователь последовательно вводит числа, и каждое из них требуется добавлять к общей сумме. Или нужно вывести на экран квадраты ряда натуральных чисел и тому подобные задачи.

Цикл while

«While» переводится с английского как «пока». Но не в смысле «до свидания», а в смысле «пока имеем это, делаем то».

Можно сказать, while является универсальным циклом. Он присутствует во всех языках, поддерживающих структурное программирование, в том числе в Python. Его синтаксис обобщенно для всех языков можно выразить так:

while логическое_выражение {
    выражение 1;
    …
    выражение n;
}

Это похоже на условный оператор if. Однако в случае циклических операторов их тела могут выполняться далеко не один раз. В случае if, если логическое выражение в заголовке возвращает истину, то тело выполняется единожды. После этого поток выполнения программы возвращается в основную ветку и выполняет следующие выражения, расположенные ниже всей конструкции условного оператора.

В случае while, после того как его тело выполнено, поток возвращается к заголовку цикла и снова проверяет условие. Если логическое выражение возвращает истину, то тело снова выполняется. Потом снова возвращаемся к заголовку и так далее.

Цикл завершает свою работу только тогда, когда логическое выражение в заголовке возвращает ложь, то есть условие выполнения цикла больше не соблюдается. После этого поток выполнения перемещается к выражениям, расположенным ниже всего цикла. Говорят, «происходит выход из цикла».

Рассмотрите блок-схему цикла while.

На ней ярко-голубыми прямоугольниками обозначена основная ветка программы, ромбом – заголовок цикла с логическим выражением, бирюзовым прямоугольником – тело цикла.

С циклом while возможны две исключительные ситуации:

• Если при первом заходе в цикл логическое выражение возвращает False, то тело цикла не выполняется ни разу. Эту ситуацию можно считать нормальной, так как при определенных условиях логика программы может предполагать отсутствие необходимости в выполнении выражений тела цикла.

• Если логическое выражение в заголовке while никогда не возвращает False, а всегда остается равным True, то цикл никогда не завершится, если только в его теле нет оператора принудительного выхода из цикла (break) или вызовов функций выхода из программы – quit(), exit() в случае Python. Если цикл повторяется и повторяется бесконечное количество раз, то в программе происходит зацикливание. В это время она зависает и самостоятельно завершиться не может.

Вспомним наш пример из урока про исключения. Пользователь должен ввести целое число. Поскольку функция input() возвращает строку, то программный код должен преобразовать введенное к целочисленному типу с помощью функции int(). Однако, если были введены символы, не являющиеся цифрами, то возникает исключение ValueError, которое обрабатывается веткой except. На этом программа завершается.

Другими словами, если бы программа предполагала дальнейшие действия с числом (например, проверку на четность), а она его не получила, то единственное, что программа могла сделать, это закончить свою работу досрочно.

Но ведь можно просить и просить пользователя корректно вести число, пока он его не введет. Вот как может выглядеть реализующий это код:

n = input("Введите целое число: ")
 
while type(n) != int:
    try:
        n = int(n)
    except ValueError:
        print("Неправильно ввели!")
        n = input("Введите целое число: ")
 
if n % 2 == 0:
    print("Четное")
else:
    print("Нечетное")

Примечание 1. Не забываем, в языке программирования Python в конце заголовков сложных инструкций ставится двоеточие.

Примечание 2. В выражении type(n) != int с помощью функции type() проверяется тип переменной n. Если он не равен int, то есть значение n не является целым числом, а является в данном случае строкой, то выражение возвращает истину. Если же тип n равен int, то данное логическое выражение возвращает ложь.

Примечание 3. Оператор % в языке Python используется для нахождения остатка от деления. Так, если число четное, то оно без остатка делится на 2, то есть остаток будет равен нулю. Если число нечетное, то остаток будет равен единице.

Проследим алгоритм выполнения этого кода. Пользователь вводит данные, они имеют строковый тип и присваиваются переменной n. В заголовке while проверяется тип n. При первом входе в цикл тип n всегда строковый, то есть он не равен int. Следовательно, логическое выражение возвращает истину, что позволяет зайти в тело цикла.

Здесь в ветке try совершается попытка преобразования строки к целочисленному типу. Если она была удачной, то ветка except пропускается, и поток выполнения снова возвращается к заголовку while.

Теперь n связана с целым числом, следовательно, ее тип int, который не может быть не равен int. Он ему равен. Таким образом логическое выражение type(n) != int возвращает False, и весь цикл завершает свою работу. Далее поток выполнения переходит к оператору if-else, находящемуся в основной ветке программы. Здесь могло бы находиться что угодно, не обязательно условный оператор.

Вернемся назад. Если в теле try попытка преобразования к числу была неудачной, и было выброшено исключение ValueError, то поток выполнения программы отправляется в ветку except и выполняет находящиеся здесь выражения, последнее из которых просит пользователя снова ввести данные. Переменная n теперь имеет новое значение.

После завершения except снова проверяется логическое выражение в заголовке цикла. Оно даст True, так как значение n по-прежнему строка.

Выход из цикла возможен только тогда, когда значение n будет успешно конвертировано в число.

Рассмотрим следующий пример:

total = 100
 
i = 0
while i < 5:
    n = int(input())
    total = total - n
    i = i + 1
 
print("Осталось", total)

Сколько раз «прокрутится» цикл в этой программе, то есть сколько итераций он сделает? Ответ: 5.

1. Сначала переменная i равна 0. В заголовке цикла проверяется условие i < 5, и оно истинно. Тело цикла выполняется. В нем меняется значение i, путем добавления к нему единицы.

2. Теперь переменная i равна 1. Это меньше пяти, и тело цикла выполняется второй раз. В нем i меняется, ее новое значение 2.

3. Два меньше пяти. Тело цикла выполняется третий раз. Значение i становится равным трем.

4. Три меньше пяти. На этой итерации i присваивается 4.

5. Четыре по прежнему меньше пяти. К i добавляется единица, и теперь ее значение равно пяти.

Далее начинается шестая итерация цикла. Происходит проверка условия i < 5. Но поскольку теперь оно возвращает ложь, то выполнение цикла прерывается, и его тело не выполняется.

«Смысловая нагрузка» данного цикла – это последовательное вычитание из переменной total вводимых чисел. Переменная i в данном случае играет только роль счетчика итераций цикла. В других языках программирования для таких случаев предусмотрен цикл for, который так и называется: «цикл со счетчиком». Его преимущество заключается в том, что в теле цикла не надо изменять переменную-счетчик, ее значение меняется автоматически в заголовке for.

В языке Python тоже есть цикл for. Но это не цикл со счетчиком. В Питоне он предназначен для перебора элементов последовательностей и других сложных объектов. Данный цикл и последовательности будут изучены в последующих уроках.

Для while наличие счетчика не обязательно. Представим, что надо вводить числа, пока переменная total больше нуля. Тогда код будет выглядеть так:

total = 100
 
while total > 0:
    n = int(input())
    total = total - n
 
print("Ресурс исчерпан")

Сколько раз здесь выполнится цикл? Неизвестно, все зависит от вводимых значений. Поэтому у цикла со счетчиком известно количество итераций, а у цикла без счетчика – нет.

Самое главное для цикла while – чтобы в его теле происходили изменения значений переменных, которые проверяются в его заголовке, и чтобы хоть когда-нибудь наступил случай, когда логическое выражение в заголовке возвращает False. Иначе произойдет зацикливание.

Примечание 1. Не обязательно в выражениях total = total - n и i = i + 1 повторять одну и ту же переменную. В Python допустим сокращенный способ записи подобных выражений: total -= n и i += 1.

Примечание 2. При использовании счетчика он не обязательно должен увеличиваться на единицу, а может изменяться в любую сторону на любое значение. Например, если надо вывести числа кратные пяти от 100 до 0, то изменение счетчика будет таким i = i - 5, или i -= 5.

Примечание 3. Для счетчика не обязательно использовать переменную с идентификатором i. Можно назвать переменную-счетчик как угодно. Однако так принято в программировании, что счетчики обозначают именами i и j (иногда одновременно требуются два счетчика).

Практическая работа

1. Измените последний код из урока так, чтобы переменная total не могла уйти в минус. Например, после предыдущих вычитаний ее значение стало равным 25. Пользователь вводит число 30. Однако программа не выполняет вычитание, а выводит сообщение о недопустимости операции, после чего осуществляет выход из цикла.

2. Используя цикл while, выведите на экран для числа 2 его степени от 0 до 20. Возведение в степень в Python обозначается как **. Фрагмент вывода:

   ...
     32
     64
    128
    256
    512
   1024
   ...

Примеры решения и дополнительные уроки в pdf-версии

курса

Введение в циклы

А теперь начинается самое интересное – в следующем наборе уроков мы пройдемся по циклам. Циклы – это конструкции управления порядком выполнения программы, которые позволяют фрагменту кода многократно выполняться до тех пор, пока не будет выполнено какое-либо условие. Циклы добавляют в ваш набор инструментов программирования значительную гибкость, позволяя делать многие вещи, которые в противном случае были бы сложными.

Например, предположим, что вы хотите вывести все числа от 1 до 10. Без циклов вы можете попробовать что-то вроде этого:

#include <iostream>
 
int main()
{
    std::cout << "1 2 3 4 5 6 7 8 9 10";
    std::cout << " done!";
    return 0;
}

Хотя это выполнимо, но всё усложняется, когда вы хотите напечатать больше чисел: что, если вы хотите напечатать все числа от 1 до 1000? А это совсем немного! Но такую программу возможно написать, потому что во время компиляции мы знаем, сколько чисел мы хотим напечатать.

Теперь давайте немного изменим требования. Что, если бы мы хотели попросить пользователя ввести число, а затем распечатать все числа от 1 до числа, введенного пользователем? Число, которое введет пользователь, неизвестно во время компиляции. Итак, как мы можем решить эту проблему?

Инструкции while

Инструкция while (также называемая циклом while) является самым простым из трех типов циклов, предоставляемых C++, и имеет определение, очень похожее на определение оператора if:

while (условие)
    инструкция;

Инструкция while объявляется с помощью ключевого слова while. При выполнении инструкции while вычисляется условие. Если условие истинно, выполняется связанная инструкция.

Однако, в отличие от оператора if, после завершения выполнения инструкции управление возвращается в начало оператора while, и процесс повторяется. Это означает, что оператор while будет продолжать цикл до тех пор, пока условие будет истинным.

Давайте посмотрим на простой цикл while, который выводит все числа от 1 до 10:

#include <iostream>
 
int main()
{
    int count{ 1 };
    while (count <= 10)
    {
        std::cout << count << ' ';
        ++count;
    }
 
    std::cout << "done!";
 
    return 0;
}

Эта программа выводит:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 done!

Давайте подробнее рассмотрим, что делает эта программа. Сначала счетчик count инициализируется значением 1, которое является первым числом, которое мы напечатаем. Условие count <= 10 истинно, поэтому инструкция выполняется. В этом случае наша инструкция – это блок, поэтому все инструкции в этом блоке будут выполнены. Первая инструкция в блоке печатает 1 и пробел, а вторая увеличивает count до 2. Теперь управление возвращается к началу оператора while, и снова вычисляется условие. 2 <= 10 вычисляется как true, поэтому блок кода выполняется снова. Цикл будет повторяться до тех пор, пока count не станет равен 11, после чего значение 11 <= 10 будет ложным, и инструкция, связанная с циклом, будет пропущена. На этом выполнение цикла заканчивается.

Хотя эта программа представляет собой немного больше кода, чем набор всех чисел от 1 до 10, подумайте, насколько легко было бы изменить эту программу для печати всех чисел от 1 до 1000: всё, что вам нужно сделать, это изменить count <= 10 на count <= 1000.

Инструкции while, которые изначально вычисляются как ложные

Обратите внимание, что если условие изначально вычисляется как ложное, связанная инструкция не будет выполняться вообще. Рассмотрим следующую программу:

#include <iostream>
 
int main()
{
    int count{ 15 };
    while (count <= 10)
    {
        std::cout << count << ' ';
        ++count;
    }
 
    std::cout << "done!";
 
    return 0;
}

Условие 15 <= 10 вычисляется как false, поэтому связанная инструкция пропускается. Программа продолжается, и единственное, что будет напечатано – это «done!».

Бесконечные циклы

И наоборот, если условное выражение всегда истинно, цикл while будет выполняться вечно. Это называется бесконечным циклом. Вот пример бесконечного цикла:

#include <iostream>
 
int main()
{
    int count{ 1 };
    while (count <= 10) // это условие никогда не будет ложным
    {
        std::cout << count << ' '; // поэтому эта строка будет выполняться многократно
    }
 
    return 0; // эта строка никогда не будет выполнена
}

Поскольку в этой программе count никогда не увеличивается, условие count <= 10 всегда будет истинным. Следовательно, цикл никогда не завершится, и программа будет печатать «1 1 1 1 1» … всегда.

Преднамеренные бесконечные циклы

Мы можем намеренно объявить бесконечный цикл следующим образом:

while (true)
{
  // этот цикл будет выполняться вечно
}

Единственный способ выйти из бесконечного цикла – использовать инструкцию return, инструкцию break, инструкцию exit, инструкцию goto, сгенерировать исключение, или пользователю убить программу.

Вот глупый пример, демонстрирующий это:

#include <iostream>
 
int main()
{
 
    while (true) // бесконечный цикл
    {
        std::cout << "Loop again (y/n)? ";
        char c{};
        std::cin >> c;
 
        if (c == 'n')
            return 0;
    }
 
    return 0;
}

Эта программа будет непрерывно повторяться до тех пор, пока пользователь не введет n в качестве входных данных, после чего оператор if вычислит значение true,и связанный с ним return 0; вызовет выход из функции main(), завершив программу.

Такой цикл часто можно увидеть в приложениях веб-серверов, которые работают непрерывно и обслуживают веб-запросы.

Переменные цикла

Часто нам нужно, чтобы цикл выполнялся определенное количество раз. Для этого обычно используется переменная цикла, часто называемая счетчиком. Переменная цикла – это целочисленное значение, которое используется для подсчета количества выполнений цикла. В приведенных выше примерах переменной цикла является переменная count.

Переменным цикла часто дают простые имена, такие как i, j или k. Однако если вы хотите знать, где в вашей программе используется переменная цикла, и вы используете функцию поиска по i, j или k, функция поиска вернет половину вашей программы! По этой причине некоторые разработчики предпочитают использовать такие имена переменных цикла, как iii, jjj или kkk. Поскольку эти имена более уникальны, это значительно упрощает поиск переменных цикла и помогает им выделяться как переменные цикла. Еще лучше – использовать «настоящие» имена переменных, такие как count, или имя, которое дает более подробную информацию о том, что вы подсчитываете (например, userCount).

Переменные цикла должны быть со знаком

Переменные цикла почти всегда должны быть со знаком, поскольку целые числа без знака могут привести к неожиданным проблемам. Рассмотрим следующий код:

#include <iostream>
 
int main()
{
    unsigned int count{ 10 };
 
    // счетчик от 10 до 0
    while (count >= 0)
    {
        if (count == 0)
        {
            std::cout << "blastoff!";
        }
        else
        {
            std::cout << count << ' ';
        }
        --count;
    }
 
    return 0;
}

Взгляните на приведенный выше пример и посмотрите, сможете ли вы обнаружить ошибку. Она не очень очевидна.

Оказывается, эта программа представляет собой бесконечный цикл. Она начинается, как и предполагалось, с печати 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 blastoff!, но затем сходит с рельсов и начинает обратный отсчет с 4294967295. Почему? Потому что условие цикла count >= 0 никогда не будет ложным! Когда count равен 0, условие 0 >= 0 истинно. Затем выполняется --count, и count переходит к 4294967295 (предполагается, что int занимает 32 бита). И поскольку 4294967295 >= 0 истинно, программа продолжается. Поскольку count не имеет знака, он никогда не может быть отрицательным, а поскольку он никогда не может быть отрицательным, цикл не завершится.

Выполнение чего-то при каждой N-ой итерации

Каждый раз, когда цикл выполняется, это называется итерацией.

Часто мы хотим делать что-то на каждой 2-й, 3-й или 4-й итерации, например, выводить символ новой строки. Это легко сделать с помощью оператора взятия остатка от деления для нашего счетчика:

#include <iostream>
 
// Перебираем все числа от 1 до 50
int main()
{
    int count{ 1 };
    while (count <= 50)
    {
        // выводим число (для форматирования добавляем 0 перед числами меньше 10)
        if (count < 10)
        {
            std::cout << '0';
        }
 
        std::cout << count << ' ';
 
        // если переменная цикла делится на 10, печатаем символ новой строки
        if (count % 10 == 0)
        {
            std::cout << '\n';
        }
            
        // увеличиваем счетчик цикла
        ++count;
    }
 
    return 0;
}

Эта программа дает следующий результат:

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Вложенные циклы

Циклы также возможно вкладывать внутрь других циклов. В следующем примере внутренний и внешний циклы имеют свои собственные счетчики. Однако обратите внимание, что условное выражение внутреннего цикла также использует счетчик внешнего цикла!

#include <iostream>
 
// Цикл от 1 до 5
int main()
{
    int outer{ 1 };
    while (outer <= 5)
    {
        // цикл от 1 до outer
        int inner{ 1 };
        while (inner <= outer)
        {
            std::cout << inner << ' ';
            ++inner;
        }
 
        // выводим символ новой строки в конце каждой строки
        std::cout << '\n';
        ++outer;
    }
 
    return 0;
}

Эта программа печатает:

1
1 2
1 2 3
1 2 3 4
1 2 3 4 5

Небольшой тест

Вопрос 1

Почему в приведенной выше программе переменная inner объявляется внутри блока while, а не сразу после объявления outer?

Ответ

Вопрос 2

Напишите программу, которая печатает буквы от a до z вместе с их кодами ASCII.

Подсказка

Ответ

Вопрос 3

Инвертируйте пример вложенных циклов, чтобы он напечатал следующее:

5 4 3 2 1
4 3 2 1
3 2 1
2 1
1

Ответ

Вопрос 4

Теперь напечатайте числа так:

        1
      2 1
    3 2 1
  4 3 2 1
5 4 3 2 1

Подсказка: сначала выясните, как печатать вот так:

X X X X 1
X X X 2 1
X X 3 2 1
X 4 3 2 1
5 4 3 2 1

Ответ

Теги

C++ / CppLearnCppwhileДля начинающихОбучениеПрограммированиеЦикл