第2章：控制流程:深入浅出 Python 循环语句

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Python 3 作为一门动态、解释型的高级编程语言，以其简洁明了的语法和强大的功能库而广受欢迎。在最新版的Python 3中，循环语句是控制程序流程的重要结构之一，主要包括 for 循环和 while 循环。本文将对这两种循环语句进行梳理，帮助你更好地理解和使用它们。

`for` 循环

for 循环在Python中用于遍历序列（如列表、元组、字符串）或其他可迭代对象。其基本语法结构如下：

for item in iterable:
    # 代码块

这里的 iterable 可以是任何可迭代对象，而 item 是在每次迭代中从 iterable 中取得的元素。for 循环会自动处理迭代器的创建和遍历过程，使得开发者可以专注于处理每个元素。

示例

# 遍历列表
fruits = ['apple', 'banana', 'cherry']
for fruit in fruits:
    print(fruit)

# 遍历字符串
for char in "hello":
    print(char)

`while` 循环

while 循环则用于在条件为真时重复执行代码块。其基本语法结构如下：

while condition:
    # 代码块

这里的 condition 是一个布尔表达式，如果其值为 True，则执行循环体内的代码块；当 condition 变为 False 时，循环结束。

示例

# 计数器
counter = 0
while counter < 5:
    print(counter)
    counter += 1

# 使用条件表达式
condition = True
while condition:
    print("Looping...")
    condition = False  # 改变条件以退出循环

循环控制语句

除了基本的 for 和 while 循环，Python 还提供了 break 和 continue 语句来更细致地控制循环的行为。

break 语句用于立即退出循环。
continue 语句用于跳过当前迭代的剩余部分，并开始下一次迭代。

示例

# 使用 break 退出循环
for i in range(10):
    if i == 5:
        break
    print(i)

# 使用 continue 跳过迭代
for i in range(10):
    if i % 2 == 0:
        continue
    print(i)

高级部分

对于循环语句（for和while），CPython的字节码和指令集提供了特定的操作码（opcodes）来处理循环的逻辑。以下是一些与循环相关的CPython字节码指令：

`for`循环的字节码实现

在CPython中，for循环通常转换为FOR_ITER和FOR_LOOP指令。FOR_ITER用于初始化循环，而FOR_LOOP用于执行循环体。

for item in sequence:
    # 循环体

这段Python代码会被编译为以下字节码（以Python 3.8为例）：

  0 LOAD_GLOBAL              0 (sequence)
  3 GET_ITER                 // 获取迭代器
  6 FOR_ITER                // 准备进入循环
  9 SETUP_LOOP              1 (到标签 10)
 12 LOAD_FAST                0 (item)
 14 STORE_FAST               1 (item)
 17 JUMP_ABSOLUTE            9 (跳转到标签 9)
 20 POP_BLOCK               // 清理循环栈
 23 LOAD_CONST               1 (None)
 26 RETURN_VALUE

这里的SETUP_LOOP指令设置了一个循环的开始，JUMP_ABSOLUTE用于无条件跳转回循环的开始点，以便继续迭代。当迭代器耗尽时，会抛出StopIteration异常，循环结束。

`while`循环的字节码实现

while循环在CPython中通常转换为SETUP_LOOP和JUMP_IF_TRUE_OR_POP指令。

while condition:
    # 循环体

这段Python代码会被编译为以下字节码：

  0 LOAD_GLOBAL              0 (condition)
  3 JUMP_IF_FALSE           10 (到标签 10，如果条件为假)
  6 JUMP_ABSOLUTE            0 (无条件跳转回循环开始)
  9 POP_BLOCK                // 清理循环栈
 12 LOAD_CONST               1 (None)
 15 RETURN_VALUE

在这里，JUMP_IF_FALSE指令用于检查条件是否为假，如果为假则跳转到标签10，退出循环。如果条件为真，则继续执行循环体。POP_BLOCK指令用于在退出循环时清理栈上的循环状态。

需要注意的是，上述字节码示例是基于特定版本的Python解释器。随着Python版本的更新，字节码指令集可能会有所变化。要查看特定版本的字节码指令集，可以参考CPython的官方文档或使用Python的dis模块来反汇编和分析字节码。

高级部分Cpython中的实现

以下是关于for和while循环在CPython中实现的一些具体细节。

`for`循环的实现

for循环在Python中通常用于遍历序列或迭代器。在CPython的实现中，for循环的关键在于迭代器协议的实现。迭代器是一个包含__next__和__iter__方法的对象，它们分别用于获取下一个元素和创建迭代器。

当Python代码执行for循环时，以下步骤在CPython的C语言层面发生：

获取迭代器：for循环首先调用可迭代对象的__iter__方法来获取一个迭代器对象。
循环迭代：在循环体内部，通过调用迭代器的__next__方法来获取序列中的下一个元素。如果序列中没有更多元素，__next__方法将抛出一个StopIteration异常，该异常在Python层被捕获，从而结束循环。

以下是CPython中for循环的一个简化实现示例：

PyObject *
PyFor_Iterate(PyObject *seq)
{
    PyObject *iterator = PyObject_GetIter(seq);
    if (iterator == NULL) {
        return NULL;
    }

    while (1) {
        PyObject *item = PyIter_Next(iterator);
        if (item == NULL) {
            if (PyErr_Occurred()) {
                Py_DECREF(iterator);
                return NULL;
            }
            break;  // No more items, exit loop
        }

        // Execute the loop body with the item
        // ...

        Py_DECREF(item);
    }

    Py_DECREF(iterator);
    Py_RETURN_NONE;
}

`while`循环的实现

while循环在Python中用于重复执行代码块，直到给定的条件不再为真。在CPython中，while循环的实现依赖于条件表达式的求值。

当Python代码执行while循环时，以下步骤在CPython的C语言层面发生：

条件评估：在每次循环迭代开始时，while循环的条件表达式被求值。
执行循环体：如果条件为真（非零），则执行循环体内的代码。
循环继续：循环结束后，再次评估条件表达式，如此往复直到条件为假。

以下是CPython中while循环的一个简化实现示例：

PyObject *
PyWhile_Loop(PyObject *condition, PyObject *block)
{
    while (PyObject_IsTrue(condition)) {
        if (block == NULL) {
            return NULL;
        }

        // Execute the loop block
        // ...

        // Check for and handle exceptions
        // ...

        if (PyErr_Occurred()) {
            return NULL;
        }
    }

    Py_RETURN_NONE;
}