# 控制程式流程：迴圈
## 電腦的存在是為了幫人類解決繁雜工作
電腦的存在是為了為人類解決繁雜工作，所謂的重複工作，在這裡我們定義成：
- 有特定的變數
- 有既定的流程
其中既定流程又包括有預定的事件執行次數與條件，如下圖。
這一章要談的就是，如何讓程式按照你指定的次數被執行。
## 迴圈
先從一個生活例子開始談，想像你在一間的學校操場跑步，每天都要跑五圈。
如果把這件事規格化，那麼就可以拆成跑步的順序跟次數，所以就寫成：
- 執行動作：從某點移動至某點
- 執行順序：A-B-C
- 執行次數：5個回合
接著我們用Python程式語法來表示這件事，在Python，定義了兩種跟程式執行次數有關的語法，分別是`for loop`和`while loop`。
### For 迴圈(For Loop)
#### 定義次數
如果你知道要執行幾次，可以使用以下語法
```python=
for 變數 in range(start, end, step):
```
例如
```` python=
for i in range (0, 5, 1):
#執行A行為
#執行B行為
#執行C行為
````
這段程式碼，是讓A,B,C這三個行為依序被執行，並且執行五次。
在`for`後面的變數`i`，在這裡被宣告。
接著變數`i`會根據後面的`(0, 5, 1)`進行值的變化，依序是**起始參數（start）**、**終止條件參數（end）**、**Step參數**。
以這個例子來說，起始參數0將i的初始值設為0；終止條件參數5是這個迴圈的終止條件，當變數`i`>=5時，離開此迴圈；Step參數1是變數`i`每個回合加上的值。
根據以上定義，這樣的迴圈寫法，會讓這個迴圈執行5次,也就是分別是i=0,1,2,3,4這五個回合。
#### 掃描資料結構
for迴圈語法還有一個很常見的用法
```python=
for i in 資料結構:
```
資料結構包括前面介紹的`List`, `Tuple`, `Set`, `Dictionary`
如此一來，i就會走遍資料結構中的元素，並且儲存起來
例如
```python=
student_list = ["Chaoyen", "Joanne", "Manchester"]
for student in student_list:
print(f"{student}")
```
將list中的元素，一一讀取出來並輸出結果。
### 隨堂練習
全班的成績如下表所示，請設計一個程式來計算全班**數學科平均成績**，並使用以下設計原則
- 使用`Dictionary`跟`list`儲存全班資料
- 使用`for loop`讀取全班數學科成績
| 姓名 | 國文科 | 英文科 | 數學科 |
| -------- | -------- | -------- | -------- |
| Chaoyen | 80 | 87 | 67 |
| Joanne | 76 | 80 | 95 |
| Manchster | 85 | 70 | 90 |
:::spoiler 參考程式碼
```python=
student_score = { "Chaoyen":[80, 87, 67],
"Joanne":[76, 80, 95],
"Manchster":[85, 70, 90],
}
math_sum = 0 #儲存全班數學成績的累計
for score in student_score.values():
math_sum += score[2]
print(math_sum/len(student_score))
```
:::
### While 迴圈(While Loop)
```` python=
i = 0
while i < 5:
#執行A
#執行B
#執行C
i+=1
````
這段程式碼，也是讓A,B,C這三個行為依序被執行，並且執行五次。
但`while`，並不像`for`具備宣告效果，所以我們在前一行宣告變數`i`，並初始化為0。
`while`語法後面連接的，是這個迴圈的執行條件，只要符合執行條件，這個迴圈會一直被執行下去。
以這個例子來說，只要變數`i`小於5，就會依序執行行為A、行為B、行為C。
但我們希望這個迴圈執行五次就結束，所以我們在最後面加入`i+=1`也就是累加的動作，這樣經過五個回合後，也就是分別是i=0,1,2,3,4這五個回合，程式就會跳離這個while迴圈，繼續往下執行。
> i += 1 是 i = i + 1的縮寫
### 隨堂練習
請分別使用`For Loop` ,`While`設計程式，達成以下需求：
a. 依序印出10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1
:::spoiler 參考程式碼
```python=
x = 10
y = 10
#使用for Loop
for i in range(0, 10, 1):
print(f"{x} ", end="")
x -= 1
i = 0
print("")
#使用while Loop
while i < 10:
print(f"{y} ", end="")
y -= 1
i+=1
```
:::
b. 依序印出2, 4, 6, 8, 10
:::spoiler 參考程式碼
```python=
x = 2
y = 2
#使用for Loop
for i in range(0, 5, 1):
print(f"{x} ", end="")
x += 2
i = 0
print("")
#使用while Loop
while i < 5:
print(f"{y} ", end="")
y += 2
i += 1
```
:::
### 迴圈應用：優化LED專題
在之前的專題中，我們讓左邊第一行的LED，依序點亮第一到第五顆，然後熄滅，再重來一次。
接著需求變更，改成讓左邊第二行的LED，依序點亮第一到第五顆，然後熄滅，再重來一次
```python=
from microbit import *
while True:
display.set_pixel(0, 0, 9)
sleep(1000)
display.set_pixel(0, 1, 9)
sleep(1000)
display.set_pixel(0, 2, 9)
sleep(1000)
display.set_pixel(0, 3, 9)
sleep(1000)
display.set_pixel(0, 4, 9)
sleep(1000)
```
讓我們來看看，使用巢狀迴圈來改寫程式碼，是否可以更快速面對程式功能變更需求？
```python=
from microbit import *
while True:
x = 0
y = 0
for i in range(0, 5, 1):
display.set_pixel(x, y, 9)
y += 1
sleep(1000)
display.clear()
sleep(1000)
```
改寫結果如上，我們只需要改第四行，將x=0改為x=1，就可以滿足需求，更棒的是，不管未來要點幾顆燈，我們都可以用第七到第九行，來改寫點燈的範圍。
## 巢狀迴圈
很多時候，我們在許多任務中，又可以在每個大任務中細分成許多小任務，所以在這裡我們介紹巢狀迴圈的觀念。
回到我們一開始舉的生活例子開始談，想像你在一間的學校操場跑步，每天都要跑五圈，但跑到B點時，要做完3個回合B的子任務，才可以繼續往C點前進。
如果把這件事規格化，那麼就可以拆成跑步的順序跟次數，所以就寫成：
- 執行動作：從某點移動至某點
- 執行順序：A-B(執行3個回合)-C
- 執行次數：5個回合
用Python程式語法來表示，請參考以下範例：
```` python=
for i in range (0, 5, 1):
#執行A行為
for j in range (0, 2, 1):
#執行B行為
#執行C行為
````
請注意執行A,B,C三個行為，程式碼其實是被分成三個區塊來看待，你必須非常了解每一個區塊，是怎麼透過你寫的for語法來決定執行次數，以及正確地被縮排，電腦才會幫你正確地執行程式。
```` python=
for i in range (0, 5, 1):
#執行A行為
````
```` python=
for j in range (0, 2, 1):
#執行B行為
````
```` python=
#執行C行為
````
當你無法掌握迴圈的控制時，請善用`print()`，掌握迴圈執行情況，例如
```` python=
for i in range (0, 5, 1):
#執行A行為
print(i)
for j in range (0, 2, 1):
#執行B行為
print(j)
#執行C行為
````
透過i,j值的輸出變化，你應該就會很清楚程式執行的順序，是否如你預期發生。
### 巢狀迴圈的應用:電腦動畫
在程式設計中，是使用一個不斷執行的迴圈來更換一張又一張的圖，也就是`Frame`，來進行動畫繪製，一個典型的動畫迴圈如下所示：
```
while(true) {
繪製Frame
暫停指定秒數
改變動畫狀態
}
```
其中改變動畫狀態視不同的程式而有所不同，也許只是單純的載入下一張影像，也許是由於使用者的操作而改變狀態。
請使用List宣告管理所有micro:bit LED，並且利用迴圈，畫出一個笑臉，如下圖所示
> 解決方案解析：
> 1. 宣告List來管理所有LED的亮度，注意每個LED座標對應List的位置，
> 2. 使用迴圈，根據宣告的LED亮度，點亮所有LED
參考程式碼如下：
```python=
from microbit import *
led_brightness = [
[0, 9, 0, 9, 0],
[0, 0, 0, 0, 0],
[9, 0, 0, 0, 9],
[0, 9, 9, 9, 0],
[0, 0, 0, 0, 0],
]
x = 0
y = 0
for i in range(0, 5, 1):
for j in range(0, 5, 1):
display.set_pixel(x, y ,led_brightness[y][x])
y += 1
sleep(1000)
x += 1
y = 0
```
## 未來持續學習
請充分理解語法，迴圈是程式設計中不可或缺的一環，因為電腦的主要工作，就是幫助人類進行重複性的工作。
很多人學習程式語言，遇到這個單元會陷入瓶頸，請多熟練迴圈次數的控制，分清楚**計數用**跟真正要**處理**的變數。
多看別人的程式，並且動手練習，是最好的方法。
## 參考資料
Python官方文件 https://www.python.org/
###### tags: `Python程式設計入門`
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