程序员入伙书——如果、那么、否则
- 2012年12月26日
- 发布在 infotech . on my mind
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在《初涉算法》一章，我说过程序没什么神秘的，无非是做三件事：
- 计算
- 流程控制
- 输入输出
关于基本的计算，前头几章已经讲过了。现在开始说说流程控制（Flow Control）。
流程控制是程序的核心价值。如果一段程序从头到尾平铺直叙，一条大路走到黑，就不好意思说自己是程序了，顶多是在打算盘。试想，如果没有流程控制，“从1累加到100”的任务就只能这样完成，老没劲了：
total = 0 total += 1 total += 2 total += 3 : : total += 99 total += 100
一个有趣的程序，一定有种种的岔路和转圈。读者可能会问：你不是说计算机不会思考，所有的行为都是已知的么？岔路的变数从何而来？俺回答：道路是已知的，走路的人是未知的。种种变数，来自于人类或其它机器的输入。例如你正在看这个页面，计算机不知道你下一步是往上翻屏、往下翻，还是关掉窗口。你的下一步动作是机器无法预知的，但计算机做好了应对你的任何操作的准备——只要你不掐电源。
下面我就开始介绍“岔路”了：如果这样，如果那样。
举个例子，Python有个功能叫max，如果你在Python Shell里写max(1, 3)按回车，max一定会回答“3”。我们看看，如果自己来写这个功能，程序是什么样的。尝试一下这个例子——在Python Shell下按Ctrl-N打开一个窗口，输入这段代码：
a = input('Please input a number: ')
b = input('Please input another number: ')
if a > b:
larger = float(a)
else:
larger = float(b)
print('%g is larger.' % larger)
按Ctrl-S把文件存为mymax.py（随意起个其它名字，也没关系的），然后按F5键运行它：
我的运行结果是：
>>> ======================= RESTART ======================== >>> Please input a number: 3 Please input another number: 4.65 4.65 is larger. >>>
好像确实是我们预想的，对吧。
当然这个程序并不结实，如果你输入的不是数字，而是个乱七八糟的东东，比如“i love you”啥的，当场就可以围观程序口吐白沫瘫倒在地。在现实生活里，程序员们对输入值的防范比这个严格得多，回头介绍到输入输出时，我会更详细地介绍。现在不需要特别关心防黑问题。
在这个程序里，我们看到了关键字if和else。现在我来详细介绍它们。
if的意思是“如果”，else的意思是“否则”。顾名思义，这两个词的用法就是：如果某条件成立，则执行其对应的动作，否则，执行别的。可能被执行的程序块以缩进至少一个空格来表示，当缩进结束时，代表本条if-else条件选择的结束。
if 逻辑判断表达式:
做点啥事
再做点别的
想想我还能做点啥事
else:
做点另外的啥事
再做点别的
如果if后面紧跟的逻辑判断表达式成立——我们称“为真”——程序就会进入它后面的这块代码，并在执行完这块之后，跳过else。如果if的逻辑判断不成立——我们称“为假”——程序就会跳过它，选择进入else。
如果可选择的可能性不止if和else两种怎么办？举例来说，学生考试的各分数段可以分为A、B、C、D四个等级。Python语言还有一个关键字elif（即else if的缩写）来满足更多选择的可能：
score = float(input('Please input a number: '))
if score > 80:
print('A')
elif score > 60:
print('B')
elif score > 40:
print('C')
else:
print('D')
>>> ======================== RESTART ========================
>>>
Please input a number: 40
D
>>> ======================== RESTART ========================
>>>
Please input a number: 65
B
>>>
注意，if-elif-else结构虽然可以列出很多可能，但它是单选题，程序最多只能选择进入其中一种。选择的方法很直观，它从上到下一路扫过来，首先遇到哪个条件为真，就立即进入它对应的那个程序块，并忽略其他所有的条件判断。拿刚才的这个程序为例，如果你输入65，那是肯定满足score > 60和score > 40的，但程序先遇到了score > 60判断为真，于是它毅然进入print(‘B’)并忽略了所有其它的选择可能。
为了更进一步说明这一点，我们可以做个实验，把刚才这个程序的各种条件调换一下顺序：
score = float(input('Please input a number: '))
if score > 40:
print('C')
elif score > 60:
print('B')
elif score > 80:
print('A')
else:
print('D')
你会发现，大于40的任何分数，例如65、80、100，通通被判为C。这是因为，程序遇到的第一个真命题就是score > 40，它立刻掉了进去，忽略了在人类世界中更正确的选择。计算机是很笨的，它不知道一种正确和另一种正确之间，那个更正确。如果真给了它独立思考的能力，它没准还会想：100比40大得多，只比80大一点点，100 > 40当然比100 > 80更加正确，我选“C”天经地义，你们这些愚蠢的人类！
其实，第一段程序（正确的那个）等价于执行了四个独立的if判断，而且，这四个逻辑判断是可以随意调换顺序而不出错的：
if score > 80:
print('A')
if 60 < score <= 80:
print('B')
if 40 < score <= 60:
print('C')
if score <= 40:
print('D')
因为我们了解elif中悄悄蕴含了一个“else”、即“前头所有条件都不成立”的假设，所以我们利用这个假设，让elif来替我们筛掉其它可能，而不是自己殚精竭虑地，在后续的程序里，一再复述这些可能的对立面。当然，前提是正确的筛选顺序。
在if-elif-else结构里，只有if是必须的，elif和else都可以没有。如果只有一个if，且这个if也不成立，那么程序就什么也不做，直接跳到if块后面的语句。
在实际应用里，有一些好习惯。这些好习惯之间可能是打架的，使用时需要权衡利弊：
- 把发生概率较高的条件放到前头，在执行时可以省去很多判断的过程。如果要猜姓名，先猜“李王张刘”比先猜“欧阳东方”效率要高。
- 把程序块较大较复杂的条件放到前头，可以提高程序的易读性，给将来读程序的人一种这样的心理暗示：这段代码看完，任务就完成80%了，心情愉悦。
- 如果影响条件判断的因素比较多，把它们先按一个因素分成少数几块，再各自逐级分层判断，这样可以减少判断次数，也可以让程序条理更清晰。脑补一下这种场景：一个巨大的路口，无数分支一字排开，每个分支通往全国各地的市县，和另一种情景的区别：先是个二选一的岔口，分别通北方南方，开下去渐渐看到各省，然后是各市县。举例来说，如果一个程序需要判断a, b, c三个值，当它们各自为正为负的时候如何如何。那么，与其写八种组合，依次if-elif-elif，不如先按a的值分为一层if-else，再用b的值判断下一层，最后用c的值判断第三层。这样，原本可能会执行1-8次、平均4次的判断，就会缩减到3次。当变数增多的时候，这个优化效果就更明显。分层时，最好按照“影响最大的因素”到“最琐碎的因素”逐级展开，这样的程序更容易看明白。例如一个动物物种分类的程序，判断动物有几条腿、是否长羽毛，比判断它是不是双眼皮更加重要。
if a > 0 and b > 0 and c > 0: action 1 elif a > 0 and b > 0 and c <= 0: action 2 elif a > 0 and b <= 0 and c > 0: action 3 elif a > 0 and b <= 0 and c <= 0: action 4 elif a <= 0 and b > 0 and c > 0: action 5 elif a <= 0 and b > 0 and c <= 0: action 6 elif a <= 0 and b <= 0 and c > 0: action 7 else: action 8 优化为： if a > 0: if b > 0: if c > 0: action 1 else: action 2 else: if c > 0: action 3 else: action 4 else: if b > 0: if c > 0: action 5 else: action 6 else: if c > 0: action 7 else: action 8
在最后的这段程序对比里，你看到了一个新词：and，这个关键字很直白，“并且”的意思。关于“and”和它的弟兄们的更多故事，下回分解。
