第4课 照猫画虎——剖析Python程序

4.1 照猫画虎学编程

有一种学习绘画的方法叫作临摹。通过依样画葫芦的方式，照着作品一丝不苟地画下来，逐步掌握作品的构图布局、色彩运用、色调把握和造型手段等基本技法。

在学习绘画、书法等技能时，可以使用临摹法。那么，学习 Python 编程是否也可以采用这种方法呢？答案是肯定的。

初学者采用“临摹法”学习 Python 编程时，建议选择短小的 Python 程序进行临摹，代码行数在20行左右。在临摹学习的过程中，如果代码录入错误致使程序无法运行，则要认真对照“摹本”程序检查自己的代码，让每一行代码和“摹木”程序一致。当程序能够正确运行之后，可以尝试修改代码中的一些数值，并观察它对程序结果的影响，这样能直观地了解程序代码的作用。在学习 Python 的最初阶段，通过这种方式能够逐步找到用键盘敲代码的感觉，渐渐熟悉使用 Python 编辑器创建、编辑和运行程序等基木操作。

接下来，我们将对验证“冰雹猜想”的Python程序进行临摹。

冰雹猜想是一种非常有趣的数字黑洞，曾让无数的数学爱好者为之痴迷。它有一个非常简单的变换规则，具体来说就是：任意取一个正整数 n ，如果 n 是偶数，就把 n 变成 n / 2 ；如果 n 是奇数，就把 n 变成 3 n + 1。如此反复进行变换运算，最终一定会得到 1 ，确切 地说是落入 4-2-1 的循环之中。

例如，对于整数 3 ，按照冰雹猜想的规则进行运算，它的变换过程为：10,5,16,8,4,2,l。经过7次操作，就把整数 3 变换为 1 。

使用自然语言来描述验证冰雹猜想的算法，具体步骤如下。

1. 创建一个空列表，用于记录变换过程。

2. 输入一个正整数 n ，然后在一个循环结构中进行变换运算。

3. 将 n 放在循环控制条件中进行判断。如果 n 不等于1就执行第4步，否则，结束循环。

4. 如果 n 是偶数，则使 n = n / 2 ；如果 n 是奇数，则使 n =3 n +1。

5. 将变换后的 n 值记录到列表中，返回到第3步重复执行。

使用 Python 语言将上述算法编写为程序，程序清单如图1所示。

这个程序并不复杂，只有10多行代码。在IDLE环境中打开一个新的 Python 编辑器窗口，并认真对照程序清单将 Python 代码逐行录入到文本编辑区。

在程序代码录入完成后，以 bingbao.py 作为文件名将源代码保存到本地磁盘中。

在录入代码的过程中，需要注意以下儿点：

• 确保代码缩进正确，每一级向右缩进4个空格。
• 不要使用全角符号，务必将输入法的“全角/半角”状态切换为半角。
• 引号和括号要成对出现。
• 检查单词拼写是否有错误，比如将return误写为reutrno

接着，打开 Python 编辑器，选择 Run—Run Module 命令。这时，Python Shell 窗口被激活程序开始运行，执行结果如下：

>>> 
======================= RESTART: D:/phython/bingbao.py =======================
请输入一个正整数:10
[10, 5, 16, 8, 4, 2, 1]
>>>

这说明程序能够运行，同时也说明“冰雹猜想”验证通过。

虽然这个验证冰雹猜想的 Python 程序代码并不多，但是对于初学者来说，由于录入错误而导致程序无法运行的可能性极大。如果出现错误，请认真对照图1进行检查，并改正自己编写的程序代码，然后再次运行，直到成功为止。

试一试尝试输入不同的数字进行验证，观察最后的结果是否都是？

4.2 双语对比细思量

如果你学过 Scratch 编程，那么可能会对上面的 Python 程序有似曾相识的感觉。这个Python程序代码中的if...else语句和Scratch中的if...then...else指令积木几乎一样。

如图2所示，左边是使用 Scratch 编写的验证冰雹猜想程序，右边对应的是 Python 版本。把 Scratch 和 Python 两种语言的程序放在一起仔细对比观察，就能发现它们的相似之处非常多。

虽然在图2中使用虚线将两种语言的指令(积木或语句)作了对照连接，但这并不是说它们是完全等价的。例如：Scratch 的 say 积木和 Python 的 print() 函数只是功能相近的两个指令。

如果你平时习惯使用中文界面的 Scratch 进行编程，那么可能对图2用英文编写的程序会感到比较生疏。然而，如果你对英文界面的 Scratch 编程比较熟悉，那么在看图2的对比图时，就会对 Python 程序有一种似曾相识的感觉。这正是在第1课中建议 Scratch 编程者使用英文界面的 Scratch 进行编程的原因。

4.3 剖析 Python 程序

程序是用来控制计算机工作的一系列指令的集合。一般来说，程序通常由输入数据、处理数据和输出数据三部分组成。

例如，在上述验证冰雹猜想的 Python 程序中,input())函数负责接收用户输入的数据，自定义的 bingbao() 函数负责处理数据，print() 函数负责输出数据到屏幕上显示。如图3所示。

在程序设计中，顺序结构、选择结构和循环结构是程序的三种基本结构，任何程序都可以由这三种基本结构组成。这三种基本结构既可以独立使用也可以混合使用。

图4对验证冰雹猜想的 Python 程序的基本结构进行了简单标注。第 12〜16 行是主程序部分，在 if 语句内部(第 13〜16 行)使用的是顺序结构，各行代码从上到下依次执行。第 2〜10 行定义了一个名为 bingba() 的函数，在函数体内混合使用顺序结构、循环结构和选择结构这三种基本结构。在函数体内的第 4〜9 行使用循环结构，只要变量 n 的值不等于 1 ,循环体就会一直执行；在循环体内的第 5〜8 行使用选择结构，会判断变量 n 的值是偶数或奇数而选择执行不同的分支。

麻雀虽小，五脏俱全。虽然“冰雹猜想”程序只有10多行代码，但是却涉及许多 Python 编程的基本元素。接下来将对 Python 编程中一些常用的基本元素进行讲解。

1. 注释

2. 图4中的第 1 行是一个单行注释语句。单行注释以“#”号开头，后面可以是任何内容。注释是给人看的，程序在执行时会自动忽略掉注释。

3. 变量、表达式和赋值操作

   图4中的第 8 行是一个赋值语句。其中，等号( = )是 Python 中的赋值操作符，等号左边的 n 是一个变量，等号右边是一个表达式。这个语句的作用是，先计算等号右边的表达式，再将计算结果赋给等号左边的变量 n 。在 Python 中，使用赋值操作修改变量的值，在 Scratch 中使用 set...to...指令积木实现类似的功能，如图5所示。

3. 流程控制

   图4中的第 4 行是 while 循环语句，当条件 n ! = 1 成立时，循环体(第 5〜9 行)就 会被反复执行。在 Python 中可以用 while 语句实现循环结构，在 Scratch 中则可以用 repeat until…指令积木实现类似的功能，如图6所示。但是，它们的循环控制逻辑是相反的，后面课程会对此详细介绍。

[图4](#t-4-4)中的第 5〜8 行是 if...else 选择语句，当条件 n % 2 == 0 成立时，就执行 n = n // 2 ；否则就执行 n = 3 * n + 1 。在 Python 中可以用 if... else 语句实现选择结构，在 Scratch 中则可以用 if...then...else 指令积木实现相同的功能，如[图7](#t-4-7)所示。

4. 函数的定义和调用

   图4中的第2行是一个函数定义语句，它定义一个名为bingbao的函数，参数为n； 第15行是对这个函数的调用。在Python中使用def语句创建自定义函数，在Scratch中 使用创建新积木的方式实现类似的功能，如图4-8所示。

5. 调用对象的方法

   在 Python 中一切都是对象。方法是对象内部提供的函数，通过点号(.)调用对象的方法。图4中的第13行通过 arr = [] 创建一个列表对象；在第 3 行使用arr. append(n)调用列表对象的 append() 方法，向列表中添加新元素。

6. 缩进和语句块

   在 Python 语言中，使用缩进表示语句块的开始和结束。按照惯例，通常使用 4 个空格 进行缩进。缩进属于 Python 语法的一部分，不正确的缩进会导致语法错误或逻辑错误。 图4中的第 13〜16 行是一个语句块，它的每行代码都向右缩进 4 个空格，表示这个语句块属于第 12 行的 if 语句。当 if 语句的条件为真时，这个语句块就会被执行。 当混合使用顺序结构、选择结构和循环结构编写程序时，特别要注意代码的缩进。 图4中的第 5〜9 行构成一个语句块，它属于第 4 行的while语句；第 8 行也构成一个语句块（只有1行代码），它属于第7行的else语句；而第9行与第8行的缩进不相同， 因此，else 语句的语句块只有第 8 行，而第 9 行属于第 4 行 while 语句的语句块。

除了以上介绍的一些基本元素之外，还有其他编程元素（如模块、类等）将在后面课程中进行介绍。本课中涉及的内容比较多，对于 Python 初学者来说，暂时不理解是正常的, 可以先跳过，在后面的课程中还会对这些编程元素进行详细说明。