Python基础指南之while循环的基本结构与使用场景详解

# 不用循环：打印1到5
print(1)
print(2)
print(3)
print(4)
print(5)

# 用循环：打印1到100只需3行
i = 1
while i <= 100:
    print(i)
    i += 1

# while循环的基本语法
# while 条件:
#     循环体（条件为真时重复执行）
# else:              # 可选
#     else代码块     # 条件变为假时执行（没有被break中断时）

# 最简单的例子
count = 0
while count < 5:
    print(f"第 {count + 1} 次循环")
    count += 1

print("循环结束")

# 输出：
# 第 1 次循环
# 第 2 次循环
# 第 3 次循环
# 第 4 次循环
# 第 5 次循环
# 循环结束

# 1. 初始化：循环开始前的状态设置
# 2. 条件：决定循环是否继续的布尔表达式
# 3. 更新：改变循环变量，让循环能走向终止

# 三要素示例
i = 0              # ① 初始化：设置计数器
while i < 10:      # ② 条件：检查是否应该继续
    print(i)
    i += 1         # ③ 更新：修改计数器，使条件最终变为False

# ⚠️ 缺少更新 → 无限循环
# i = 0
# while i < 10:
#     print(i)
#     # 忘记 i += 1 → 永远打印0！

# ⚠️ 条件永远为True → 无限循环
# while True:
#     print("这永远不会停止...")

# while后面可以是任何返回布尔值的表达式
# 同样运用了真值测试规则

# 计数器模式
count = 3
while count > 0:
    print(f"倒计时: {count}")
    count -= 1
print("发射！🚀")

# 哨兵值模式
user_input = ""
while user_input != "quit":
    user_input = input("请输入（输入quit退出）: ")
    print(f"你输入了: {user_input}")

# 真值测试模式
data = [1, 2, 3]
while data:          # 等价于 while len(data) > 0
    item = data.pop()
    print(f"弹出: {item}")

# 条件可以是复杂的逻辑表达式
attempts = 0
success = False
while attempts < 5 and not success:
    # 尝试操作...
    attempts += 1
    # success = try_operation()

# 模式1：从0到N-1
i = 0
while i < 10:
    print(i, end=' ')
    i += 1
# 输出: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

# 模式2：从1到N
i = 1
while i <= 10:
    print(i, end=' ')
    i += 1
# 输出: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

# 模式3：倒数
i = 10
while i > 0:
    print(i, end=' ')
    i -= 1
# 输出: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

# 模式4：步进（每隔N个）
i = 0
while i < 100:
    print(i, end=' ')
    i += 10
# 输出: 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

# 模式5：指数增长
i = 1
while i < 1000:
    print(i, end=' ')
    i *= 2
# 输出: 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512

# 哨兵模式：用特殊值表示"结束"
SENTINEL = ""   # 空行作为哨兵

print("请输入多行文本（空行结束）：")
lines = []
while True:
    line = input()
    if line == SENTINEL:
        break
    lines.append(line)

print(f"共输入 {len(lines)} 行")

# 另一种哨兵模式：数值哨兵
print("\n请输入分数（-1结束）：")
scores = []
while True:
    try:
        score = float(input("分数: "))
        if score == -1:
            break
        if 0 <= score <= 100:
            scores.append(score)
        else:
            print("分数应在0-100之间")
    except ValueError:
        print("请输入有效的数字")

if scores:
    print(f"平均分: {sum(scores)/len(scores):.1f}")

# 标志模式：用一个布尔变量控制循环
def find_first_even(numbers):
    """找到列表中第一个偶数"""
    found = False
    index = 0
    
    while index < len(numbers) and not found:
        if numbers[index] % 2 == 0:
            found = True
        else:
            index += 1
    
    if found:
        return index, numbers[index]
    else:
        return -1, None

# 更复杂的标志模式
def process_with_retry(operation, max_retries=3):
    """带重试的操作处理"""
    retry_count = 0
    success = False
    result = None
    
    while retry_count < max_retries and not success:
        try:
            result = operation()
            success = True
            print(f"✅ 第 {retry_count + 1} 次尝试成功")
        except Exception as e:
            retry_count += 1
            print(f"❌ 第 {retry_count} 次尝试失败: {e}")
            if retry_count < max_retries:
                print(f"   等待后重试...")
    
    return success, result

# 经典的游戏主循环
def game_loop():
    """游戏主循环示例"""
    running = True
    score = 0
    level = 1
    
    while running:
        # 渲染
        print(f"\n=== 关卡 {level} === 得分: {score} ===")
        
        # 输入
        action = input("行动 (jump/run/quit): ").strip().lower()
        
        # 更新
        if action == "quit":
            running = False
            print("游戏结束！")
        elif action == "jump":
            score += 10
            print("跳起来！+10分")
        elif action == "run":
            score += 5
            print("跑起来！+5分")
        else:
            print("无效操作")
        
        # 升级检查
        if score >= level * 50:
            level += 1
            print(f"🎉 升级！进入关卡 {level}！")
    
    return score

# 运行
# final_score = game_loop()
# print(f"最终得分: {final_score}")

# while True 不是bug，而是一种设计模式
# 配合 break 可以创建灵活的循环

# 示例1：菜单循环
def menu_loop():
    while True:
        print("\n=== 主菜单 ===")
        print("1. 新建文件")
        print("2. 打开文件")
        print("3. 保存文件")
        print("4. 退出")
        
        choice = input("请选择: ").strip()
        
        if choice == "1":
            print("📄 新建文件...")
        elif choice == "2":
            print("📂 打开文件...")
        elif choice == "3":
            print("💾 保存文件...")
        elif choice == "4":
            print("👋 再见！")
            break
        else:
            print("无效选择，请重试")

# 示例2：验证循环（直到用户输入合法数据）
def get_valid_number(prompt, min_val=None, max_val=None):
    """获取一个合法的数字输入"""
    while True:
        try:
            value = float(input(prompt))
            if min_val is not None and value < min_val:
                print(f"值不能小于 {min_val}，请重新输入")
                continue
            if max_val is not None and value > max_val:
                print(f"值不能大于 {max_val}，请重新输入")
                continue
            return value
        except ValueError:
            print("请输入一个有效的数字")

# age = get_valid_number("请输入年龄: ", 0, 150)
# print(f"年龄: {age}")

# 鸡尾酒会问题：while True + 多个break
def authenticate():
    """用户认证：多种退出条件"""
    max_attempts = 3
    attempts = 0
    
    while True:
        if attempts >= max_attempts:
            print("❌ 尝试次数过多，账户已锁定")
            return False
        
        username = input("用户名: ").strip()
        
        if username.lower() == "quit":
            print("👋 已取消登录")
            return False
        
        if not username:
            print("用户名不能为空")
            continue
        
        password = input("密码: ").strip()
        attempts += 1
        
        if username == "admin" and password == "123456":
            print("✅ 登录成功！")
            return True
        else:
            remaining = max_attempts - attempts
            print(f"❌ 用户名或密码错误（剩余{remaining}次尝试）")

# authenticate()

# 陷阱1：忘记更新循环变量
# i = 0
# while i < 10:
#     print(i)      # 永远打印0

# 陷阱2：条件永远为True
# while 1 == 1:     # 永远为True
#     pass

# 陷阱3：更新方向错误
# i = 10
# while i > 0:
#     print(i)
#     i += 1         # i越来越大，永远大于0！

# 陷阱4：浮点数精度导致永不相等
x = 0.0
count = 0
while x != 1.0:      # ⚠️ 浮点累积误差！
    x += 0.1
    count += 1
    if count > 20:   # 安全阀！
        print(f"x={x}，强制退出")
        break
# 因为0.1在二进制中无法精确表示
# 所以x永远不会恰好等于1.0

# ✅ 改进：使用不等式
x = 0.0
while x < 1.0:
    x += 0.1
print(f"x = {x}")  # x = 1.0999999999999999（仍然不完全等于1.0）

# "差一错误"——最常见的循环bug

# 常见错误：应该用 < 还是 <= ？
# 想要循环5次

# ✅ 方式1：从0开始，用<
count = 0
while count < 5:    # 5次: 0,1,2,3,4
    count += 1

# ✅ 方式2：从1开始，用<=
count = 1
while count <= 5:   # 5次: 1,2,3,4,5
    count += 1

# ❌ 错误：从0开始但用了<=
# count = 0
# while count <= 5:  # 6次! 0,1,2,3,4,5
#     count += 1

# ❌ 错误：从1开始但用了<
# count = 1
# while count < 5:   # 4次! 1,2,3,4
#     count += 1

# 📝 记住公式：
# 从 a 到 b（包含b）: while a <= b: a += step
# 从 a 到 b（不包含b）: while a < b: a += step
# 循环 N 次: for i in range(N) —— 用for循环避免off-by-one

# while循环结束后，循环变量仍然存在
i = 0
while i < 5:
    i += 1

print(i)  # 5 —— i还在作用域中！

# 如果不小心在其他地方复用了同名变量...
# 这可能导致难以发现的bug

def process_data():
    i = 0
    while i < len(data):
        # 处理data[i]
        i += 1
    # i现在是len(data)
    return i  # 可能是你想要的结果，也可能是bug

# 💡 解决：用for循环代替简单的计数循环
# for循环的迭代变量在循环结束后仍然存在
# 但它的语义更清晰——"对每个元素做某事"

# 选型决策表
# 
# 用 while 当：
# - 循环次数未知（取决于条件何时变为False）
# - 需要根据运行时状态决定是否继续
# - 游戏主循环、服务器监听等"永远运行直到被告知停止"
#
# 用 for 当：
# - 循环次数已知（遍历固定范围的数字、列表、字典等）
# - 需要对可迭代对象的每个元素执行操作
# - 计数器循环（range）

# while的典型场景
def read_until_end(file):
    """读取文件直到结束——不知道有多少行"""
    lines = []
    while True:
        line = file.readline()
        if not line:     # 读到文件末尾
            break
        lines.append(line)
    return lines

# for的典型场景
def process_items(items):
    """处理每个元素——知道要遍历什么"""
    for item in items:
        process(item)

class ATM:
    """ATM模拟 —— while循环的完整应用"""
    
    def __init__(self, balance=10000):
        self.balance = balance
    
    def run(self):
        """ATM主循环"""
        print("=" * 40)
        print("欢迎使用ATM自动取款机")
        print("=" * 40)
        
        while True:
            print(f"\n当前余额: ¥{self.balance:,.2f}")
            print("1. 取款  2. 存款  3. 查询  4. 退出")
            
            choice = input("请选择操作: ").strip()
            
            if choice == "1":
                self._withdraw()
            elif choice == "2":
                self._deposit()
            elif choice == "3":
                self._check_balance()
            elif choice == "4":
                print("感谢使用，再见！👋")
                break
            else:
                print("无效选择，请重新输入")
    
    def _withdraw(self):
        """取款操作 —— 验证循环"""
        while True:
            try:
                amount = float(input("请输入取款金额（或0返回）: "))
                
                if amount == 0:
                    return
                
                if amount <= 0:
                    print("金额必须大于0")
                    continue
                
                if amount > self.balance:
                    print(f"❌ 余额不足！当前余额: ¥{self.balance:,.2f}")
                    continue
                
                if amount > 5000:
                    confirm = input("单笔超过5000元，确认取款？(y/n): ")
                    if confirm.lower() != 'y':
                        print("已取消取款")
                        return
                
                self.balance -= amount
                print(f"✅ 取款成功！取款: ¥{amount:,.2f}, 余额: ¥{self.balance:,.2f}")
                return
                
            except ValueError:
                print("请输入有效的金额")
    
    def _deposit(self):
        """存款操作"""
        while True:
            try:
                amount = float(input("请输入存款金额（或0返回）: "))
                if amount == 0:
                    return
                if amount <= 0:
                    print("金额必须大于0")
                    continue
                
                self.balance += amount
                print(f"✅ 存款成功！存款: ¥{amount:,.2f}, 余额: ¥{self.balance:,.2f}")
                return
            except ValueError:
                print("请输入有效的金额")
    
    def _check_balance(self):
        """查询余额"""
        print(f"💰 当前余额: ¥{self.balance:,.2f}")

# 运行
# atm = ATM(5000)
# atm.run()

import random

def guess_number_game():
    """猜数字游戏 —— while循环的经典应用"""
    
    # 游戏设置
    min_num = 1
    max_num = 100
    target = random.randint(min_num, max_num)
    max_attempts = 7
    
    print("=" * 50)
    print(f"🎯 猜数字游戏（{min_num}-{max_num}）")
    print(f"你有 {max_attempts} 次机会")
    print("=" * 50)
    
    attempts = 0
    guessed = False
    
    while attempts < max_attempts and not guessed:
        remaining = max_attempts - attempts
        print(f"\n剩余机会: {remaining}")
        
        # 输入验证
        while True:
            try:
                guess = int(input(f"请输入你的猜测 ({min_num}-{max_num}): "))
                if min_num <= guess <= max_num:
                    break
                else:
                    print(f"请输入 {min_num} 到 {max_num} 之间的数字")
            except ValueError:
                print("请输入有效的整数")
        
        attempts += 1
        
        # 判断结果
        if guess == target:
            print(f"\n🎉 恭喜！你猜对了！答案就是 {target}！")
            print(f"你用了 {attempts} 次机会")
            guessed = True
        elif guess < target:
            print(f"📈 太小了！往大猜")
        else:
            print(f"📉 太大了！往小猜")
    
    if not guessed:
        print(f"\n😞 很遗憾，机会用完了。答案是 {target}")
    
    # 再玩一次？
    while True:
        again = input("\n再玩一次？(y/n): ").strip().lower()
        if again in ('y', 'yes'):
            return True
        elif again in ('n', 'no'):
            return False
        else:
            print("请输入 y 或 n")

# 游戏循环
# play = True
# while play:
#     play = guess_number_game()
# print("感谢游玩！👋")