Зачем нужны циклы? – Учебник

4.1

О чём этот урок

Задача звучит безобидно: вывести на экран числа от 1 до 100. Средствами, которые уже есть – print и if, – она решается честно и в лоб: сто строк, отличающихся одним числом. Программа даже заработает. Но попробуйте представить, что потребовалось не до 100, а до 1000 – и станет ясно, что с таким решением что-то принципиально не так.

Разминка. Вспомните бытовые инструкции, где что-то повторяется: «мешать, пока соус не загустеет», «отжаться 10 раз», на бутылке шампуня – «нанести, вспенить, смыть, повторить». Ни одна из них не выписывает все повторения списком. Попробуйте сформулировать сами, что именно эти фразы сообщают вместо списка – там ровно две части, и обе встретятся дальше в уроке.

В этом уроке: чем плохи сто почти одинаковых строк, что такое цикл, тело цикла и итерация, на какие два вопроса нужно ответить, чтобы цикл заработал, и что происходит, если на второй ответить неверно.

Проблема: сто раз почти одно и то же

У решения «сто строк print» три беды, и ни одна из них не про красоту:

Объём. Сто строк ради одной мысли. Программу такого размера тяжело читать: суть теряется в повторениях.
Ошибки. Копируя строку сто раз и правя в ней число, легко пропустить 57 или дважды написать 83. Причём ошибка будет незаметной – программа не сломается, просто выведет не то.
Негибкость. Понадобилось не до 100, а до 1000 – нужно дописать ещё 900 строк. Понадобилось выводить квадраты чисел вместо самих чисел – придётся править все сто строк.

При этом строки отличаются друг от друга ровно одним: числом, которое каждый раз увеличивается на единицу. Всё остальное – буквально одно и то же. Вот это и есть сигнал: повторяющееся действие, в котором меняется только значение, стоит описать один раз, а не переписывать.

Как это выглядит без цикла

print(1)
print(2)
print(3)
print(4)
# ... и так ещё 95 строк, отличающихся только числом ...
print(100)

Цикл и итерация

Цикл – конструкция языка программирования, которая позволяет описать повторяющееся действие один раз и указать, сколько раз или до каких пор его нужно выполнить.

Тело цикла – тот самый блок кода, который повторяется.

Итерация – одно выполнение тела цикла. Сто раз выполнили тело – прошло сто итераций.

Ключевая мысль: с помощью цикла человек описывает действие один раз, а количество повторений задаёт отдельно – числом или условием. Сто строк превращаются в две-три, и что важнее – замена «до 100» на «до 1000» становится правкой одного символа, а не дописыванием девятисот строк.

Слово «итерация» будет встречаться в курсе постоянно, в том числе за пределами этого блока – например, когда речь пойдёт о скорости алгоритмов (блок 10): «алгоритм делает N итераций» – это ровно про количество повторений тела цикла.

Линейная программа выполняется сверху вниз ровно один раз; цикл добавляет к этому пути возврат назад – и одно и то же тело выполняется столько раз, сколько нужно.

Два вопроса к любому циклу

Чтобы цикл заработал, всегда нужно ответить на два вопроса:

Что повторять? – это тело цикла.
Когда остановиться? – это условие выхода.

Второй вопрос делит все циклы на два привычных вида, и оба уже знакомы по бытовым инструкциям из разминки:

«Отжаться 10 раз» – количество повторений известно заранее. В Python за такой случай отвечает цикл for вместе с range() (урок 4.4).
«Мешать, пока соус не загустеет» – заранее неизвестно, сколько раз придётся помешать; известно только условие, при котором пора остановиться. Это цикл while (урок 4.2).

Оба вида взаимозаменяемы в том смысле, что любую задачу можно решить и тем и другим – но одна из формулировок почти всегда получается заметно естественнее. Выбирать между ними мы научимся к середине блока.

Те же сто чисел – четыре строки

n = 1
while n <= 100:
    print(n)
    n = n + 1

Где циклы уже встречались в курсе

Разбирать этот синтаксис построчно мы здесь не будем – это тема урока 4.2. Сейчас важно только сравнить объём: четыре строки против ста, причём «100» в условии можно заменить на «1000» одной правкой.

И сами циклы – не новая экзотическая тема, а инструмент для задач, которые в курсе уже были. Просто раньше мы выполняли повторения руками:

Перевод числа в другую систему счисления делением уголком (2.5). Каждая ступенька лесенки – одно и то же действие: разделить, записать остаток, взять частное дальше. Повторяем, пока частное не станет нулём – то самое «пока», то есть while.
Перебор всех наборов значений логических переменных (3.8). 8 строк для трёх переменных, 1024 для десяти – руками нереально, а циклом это несколько строк.
Разбор числа на цифры – задача, к которой мы вернёмся уже с циклом в уроке 4.3.

Пройдите лесенку деления ниже заново и обратите внимание не на результат, а на структуру: каждый шаг – одно и то же действие с новым значением, то есть одна итерация. Условие остановки – «частное стало нулём».

Ловушка: цикл, который не заканчивается

У силы цикла есть обратная сторона. Если условие остановки сформулировано неверно и никогда не становится ложным, тело будет выполняться бесконечно – программа зависнет и не дойдёт до кода, который написан после цикла.

Бесконечный цикл – цикл, условие выхода из которого никогда не выполняется.

Чаще всего это ошибка: забыли изменить переменную, от которой зависит условие. Но бывает и намеренно – например, программа, которая непрерывно ждёт действий пользователя, устроена как бесконечный цикл; просто выход из неё организован отдельной командой. Подробно и с примерами – в уроке 4.2, здесь достаточно знать, что такая ошибка существует и что аварийно остановить зависшую программу можно сочетанием клавиш Ctrl+C в терминале.

Коротко

Цикл – конструкция, которая позволяет описать повторяющееся действие один раз и задать, сколько раз или до каких пор его выполнять.
Тело цикла – повторяющийся блок кода; итерация – одно выполнение тела.
Сигнал «здесь нужен цикл»: несколько почти одинаковых действий, в которых меняется только значение.
Любому циклу нужно ответить на два вопроса: что повторять (тело) и когда остановиться (условие).
Число повторений известно заранее – берут for; известно только условие остановки – while.
Бесконечный цикл – цикл, условие выхода из которого никогда не выполняется. Зависшую программу останавливают сочетанием клавиш Ctrl+C в терминале.

Что нас ждёт в этом блоке

Дальше в блоке: цикл while и его условие продолжения, включая проблему бесконечного цикла (4.2); применение while к числам – сумма и количество цифр, «разбор» числа по цифрам (4.3); цикл for и функция range() для случая, когда число повторений известно заранее (4.4); команды break, continue и неочевидный else у цикла (4.5); классические алгоритмы на числах – поиск делителей, проверка числа на простоту, алгоритм Евклида для НОД (4.6); вложенные циклы и двойной перебор – таблицы и прямоугольные паттерны (4.7); перебор диапазонов: поиск минимума и максимума, поиск чисел с заданным свойством (4.8).

Завершает блок практикум – страница обязательных задач с автоматической проверкой. Именно он определяет, пройден блок или нет.