Python中的嵌套循环

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1 什么是嵌套循环

所谓嵌套循环就是一个外循环的主体部分是一个内循环。内循环或外循环可以是任何类型，例如 while 循环或 for 循环。 例如，外部 for 循环可以包含一个 while 循环，反之亦然。外循环可以包含多个内循环。 循环链没有限制。

在嵌套循环中，迭代次数将等于外循环中的迭代次数乘以内循环中的迭代次数。在外循环的每次迭代中，内循环执行其所有迭代。 对于外循环的每次迭代，内循环重新开始并在外循环可以继续下一次迭代之前完成其执行。嵌套循环通常用于处理多维数据结构，例如打印二维数组、迭代包含嵌套列表的列表。嵌套循环是控制流语句的一部分，可帮助您了解 Python 的基础知识。

2 Python 嵌套 for 循环

在 Python 中，for 循环用于迭代序列，例如列表、字符串、元组，以及其他可迭代对象，例如范围。在 Python 中使用嵌套 for 循环的语法：

# outer for loop
for element in sequence 
   # inner for loop
   for element in sequence:
       body of inner for loop
   body of outer for loop

在此示例中，我们在 for 循环中使用了 for 循环。 在本例中，我们打印前十个数字的乘法表。

• 外部 for 循环使用 range() 函数迭代前十个数字。
• 对于每个外部数字，内部 for 循环将执行十次。
• 在内循环的主体中，我们将打印外部数字和当前数的乘积。
• 内循环只不过是外循环的主体。

示例：编写一个嵌套的 for 循环程序以在 Python 中打印乘法表。

# outer loop
for i in range(1, 11):
    # nested loop
    # to iterate from 1 to 10
    for j in range(1, 11):
        # print multiplication
        print(i * j, end=' ')
    print()

输出：

• 在这个程序中，外部 for 循环是从 1 到 10 迭代数字。 range() 返回 10 个数字。 所以外循环的总迭代次数是 10。
• 在嵌套循环的第一次迭代中，数字是 1。在下一次，它是 2。依此类推，直到 10。
• 接下来，对于外循环的每次迭代，内循环将执行十次。 内部循环也将执行 10 次，因为我们打印的乘法表最多为 10。
• 在内部循环的每次迭代中，我们计算了两个数字的乘法。

2.1 嵌套循环打印图案

嵌套循环的另一个最常见用途是打印各种星形和数字模式。让我们看看如何使用嵌套循环在 Python 中打印以下模式。

rows = 5
# outer loop
for i in range(1, rows + 1):
    # inner loop
    for j in range(1, i + 1):
        print("*", end=" ")
    print('')

• 在这个程序中，外循环是打印的行数。
• 行数是五，所以外循环会执行五次。
• 接下来，内部循环是每行中的总列数。
• 对于外部循环的每次迭代，列计数都会增加 1。
• 在外循环的第一次迭代中，列数为 1，下一次为 2。依此类推。
• 内部循环迭代等于列数。
• 在内部循环的每次迭代中，我们打印 star。

2.2 在 for 循环中的while循环

在一种循环中使用另一种类型的循环非常常见且很有帮助。 我们可以在 for 循环中放置一个 while 循环。假设我们想将列表中的每个名称重复五次：

• 在这里，我们将使用外部 for 循环迭代列表。
• 外层for循环每次迭代，内层for循环执行5次，打印当前名称5次。

names = ['Kelly', 'Jessa', 'Emma']
# outer loop
for name in names:
    # inner while loop
    count = 0
    while count < 5:
        print(name, end=' ')
        # print(name)
        # increment counter
        count = count + 1
    print()

输出：

2.3 实践：打印一个带有 5 行 3 列星形的矩形图案

打印以下星形矩形：

# 5 rows
for name in range(5):
    # 3 column
    for j in range(3):
        print('*', end='')
    print()

3 打破嵌套循环

break 语句用于循环内部退出循环。 如果在嵌套循环内使用 break 语句（在另一个循环内循环），它将终止最内层循环。

在下面的示例中，我们有两个循环。 外部 for 循环使用 range() 函数迭代前四个数字，内部 for 循环也迭代前四个数字。 如果外部编号和内部循环的当前编号相同，则中断内部（嵌套）循环。

for i in range(4):
    for j in range(4):
        if j == i:
            break
        print(i, j)

输出：

4 继续嵌套循环

continue 语句跳过当前迭代并移动到下一个迭代。 在 Python 中，当循环内遇到 continue 语句时，它会跳过它下面的所有语句并立即跳转到下一次迭代。

在下面的示例中，我们有两个循环。 外部 for 循环迭代第一个列表，内部循环也迭代第二个数字列表。如果外部编号和内部循环的当前编号相同，则移动到内部循环的下一次迭代。

first = [2, 4, 6]
second = [2, 4, 6]
for i in first:
    for j in second:
        if i == j:
            continue
        print(i, '*', j, '= ', i * j)

输出：

5 使用列表理解的单行嵌套循环

例如，如果您有两个列表并想要获取它们的所有组合，为了实现这一点，您需要使用两个嵌套循环，如下所述。

first = [2, 3, 4]
second = [20, 30, 40]
final = []
for i in first:
    for j in second:
        final.append(i+j)
print(final)

您可以使用列表压缩和嵌套循环编写更快速、更紧凑的代码，如下所示。

first = [2, 3, 4]
second = [20, 30, 40]
final = [i+j for i in first for j in second]
print(final)

输出：

代码编写思路：

• 首先，编写一个外部 for 循环，它将迭代第一个列表，如 [for i in first]。
• 接下来，编写一个内部循环，它将在外部循环之后迭代第二个列表，例如 [for i in first for j in second]。
• 最后，计算外数和内数之和，如 [i+j for i in first for j in second]。
• 最后，将结果存储在一个新列表中，例如 final = [i+j for i in first for j in second]。

下面让我们看看其他的例子：

在这个例子中，我们将在列表中使用两个 for 循环，最终结果将是一个列表列表。 我们不会在每个列表中包含相同的数字。 我们将使用 if 条件过滤它们。

final = [[x, y] for x in [10, 20, 30] for y in [30, 10, 50] if x != y]
print(final)

输出：

6 Python中的嵌套while循环

在 Python 中，while 循环语句在特定条件为真时重复执行代码块。 当数字迭代不固定时，我们使用 while 循环。在本节中，我们将了解如何在另一个 while 循环中使用 while 循环。在 Python 中编写嵌套的 while 循环语句的语法如下：

while expression:
   while expression:
      statement(s)
   statement(s)

在下面例子中，我们将在每行打印前 10 个数字 5 次。

i = 1
while i <= 5:
    j = 1
    while j <= 10:
        print(j, end='')
        j = j + 1
    i = i + 1
    print()

输出：

6.1 While 循环内的 for 循环

有时在另一种循环中使用一种循环会很有帮助。 我们可以在while循环里面放一个for循环。假设我们想要打印从 1 到 100 的所有完美数字。

• 在这里，我们将使用 while 循环迭代前 100 个数字。
• 在外部while循环的每次迭代中，内部for循环从1到当前外部数字执行，以检查当前数字是否为完美数字。（完美数字是一个数学概念，感兴趣的读者可再深入查询）

print('Show Perfect number fom 1 to 100')
n = 2
# outer while loop
while n <= 100:
    x_sum = 0
    # inner for loop
    for i in range(1, n):
        if n % i == 0:
            x_sum += i
    if x_sum == n:
        print('Perfect number:', n)
    n += 1

输出：

7 何时在 Python 中使用嵌套循环？

• 当您有需要通过相同函数循环的嵌套数组或列表时，嵌套循环很方便。
• 当您想使用行和列打印不同的星形和数字模式时。

记住时间复杂度。 让我们通过 Python 中嵌套 for 循环如何工作的示例来理解这一点。我们使用 for 循环迭代序列或可迭代的给定元素。 就像我在列表中一样。 这里的时间复杂度是 O(n)，因为我们正在迭代列表中的所有项目。执行步骤（迭代）的数量决定了循环的时间复杂度。当您使用嵌套循环并且外部和内部循环都在没有任何 if 条件的情况下运行时，时间复杂度为 O(n^2)，因为对于所有 n 个元素，代码都会执行 n 次。

numbers = [[1, 2, 3], [4, 5, 6]]

cnt = 0
for i in numbers:
    for j in i:
        print('iteration', cnt, end=': ')
        print(j)
        cnt = cnt + 1

输出：

如果您在内部循环中给出一个条件，该条件将在某些元素之后停止执行，并且不执行内部循环或外部循环的所有 n 次迭代，那么它的时间复杂度会更小。

当您没有更好的选择时使用嵌套循环，请记住编写高效且紧凑的代码远胜于编写复杂的代码。

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