Oppaat: Python-ohjelmointi: Osa 4 - Toistorakenteet

Ehtorakenteiden avulla ohjelma voi suorittaa valikoivasti koodirivejä, mutta ohjelman suoritus etenee silti koko ajan rivejä alaspäin. Toistorakenteet antavat ohjelmalle mahdollisuuden suorittaa samoja rivejä monta kertaa peräkkäin. Nyt jos ohjelman täytyy tehdä monta kertaa sama asia, tarvittava koodi riittää kirjoittaa kerran.

Python-kielen toistorakenteet ovat while-silmukka, jossa ohjelma toistaa samaa koodia niin kauan, kuin jokin ehto on voimassa, sekä for-silmukka, jossa ohjelma käy läpi joukon tietoja ja suorittaa jokaisen kohdalla saman koodin. Tämä opas esittelee molemmat toistorakenteet, vaikka for-silmukka pääsee täysiin oikeuksiinsa vasta seuraavissa oppaissa listojen ja merkkijonojen käsittelyssä.

while-silmukka

Seuraava ohjelma kysyy käyttäjältä tunnussanaa, kunnes käyttäjä antaa oikean tunnussanan "python".

sana = ""
while sana != "python":
    sana = input("Kirjoita tunnussana: ")
print("Tervetuloa!")

Ohjelman tulostus voi olla seuraava:

Kirjoita tunnussana: kissa
Kirjoita tunnussana: putka
Kirjoita tunnussana: python
Tervetuloa!

Ohjelmassa on while-silmukka, jonka alussa on totuusarvomuotoinen ehto. Tässä ehto sana != "python" tarkoittaa, että ohjelma toistaa silmukkaa niin kauan, kuin tunnussana ei ole oikein. Jokaisella silmukan kierroksella ohjelma kysyy käyttäjältä tunnussanaa, ja kun käyttäjä antaa oikean tunnussanan, silmukan ehto ei ole enää voimassa ja silmukka päättyy.

Esimerkissä ohjelman suoritus etenee seuraavasti:

1. Muuttuja sana saa alkuarvon "".
2. Ohjelma saapuu silmukkaan.
3. Ehto sana != "python" pätee ja ohjelma suorittaa silmukan koodin.
4. Silmukassa sana saa arvon "kissa".
5. Ohjelma palaa silmukan alkuun.
6. Ehto sana != "python" pätee ja ohjelma suorittaa silmukan koodin.
7. Silmukassa sana saa arvon "putka".
8. Ohjelma palaa silmukan alkuun.
9. Ehto sana != "python" pätee ja ohjelma suorittaa silmukan koodin.
10. Silmukassa sana saa arvon "python".
11. Ohjelma palaa silmukan alkuun.
12. Ehto sana != "python" ei päde ja silmukka päättyy.

for-silmukka

Seuraava ohjelma tulostaa lukujen 0–9 neliöt eli luvut korotettuna toiseen potenssiin. Esimerkiksi luvun 5 neliö on 25, koska 5² = 5 * 5 = 25.

for i in range(10):
    print("Luvun", i, "neliö on", i * i)

Ohjelman tulostus on seuraava:

Luvun 0 neliö on 0
Luvun 1 neliö on 1
Luvun 2 neliö on 4
Luvun 3 neliö on 9
Luvun 4 neliö on 16
Luvun 5 neliö on 25
Luvun 6 neliö on 36
Luvun 7 neliö on 49
Luvun 8 neliö on 64
Luvun 9 neliö on 81

Ohjelmassa on for-silmukka, joka käy läpi joukon tietoja ja suorittaa joka tiedon kohdalla saman koodin. Tässä range(10) tarkoittaa, että silmukka käy läpi kymmenen ensimmäistä kokonaislukua nollasta alkaen. Jokaisella silmukan kierroksella muuttuja i saa arvokseen käsiteltävän kokonaisluvun.

Esimerkissä ohjelman suoritus etenee seuraavasti:

1. Muuttuja i saa arvon 0.
2. Ohjelma suorittaa silmukan sisällä olevan koodin.
3. Muuttuja i saa arvon 1.
4. Ohjelma suorittaa silmukan sisällä olevan koodin.
5. Muuttuja i saa arvon 2.
6. Ohjelma suorittaa silmukan sisällä olevan koodin.
7. (jne.)

Lukuväliin liittyy kolme parametria: mistä luvusta silmukka alkaa, minkä luvun kohdalla silmukka päättyy ja kuinka paljon luku kasvaa silmukan kierroksen jälkeen. Oletuksena silmukka alkaa nollasta ja luku kasvaa yhdellä kierroksen jälkeen. Seuraavassa on esimerkkejä lukuväleistä:

Opassarjan seuraavissa osissa nähdään, mitä muuta for-silmukalla voi tehdä kuin käydä läpi lukuvälejä.

Keskeytys

Tunnussanan kysymisen voi toteuttaa myös seuraavasti:

while True:
    sana = input("Kirjoita tunnussana: ")
    if sana == "python":
        break
print("Tervetuloa!")

Tässä silmukan alussa on ehto True, joka on aina tosi eikä rajoita silmukan toistamista. Kuitenkin silmukan sisällä komento break keskeyttää silmukan, jos käyttäjä antaa oikean tunnussanan. Silmukan toimintatapa on siis ennallaan, mutta ehdon sijainti poikkeaa aiemmasta.

Komentoa break voi käyttää kaikissa silmukoissa: while-silmukassa se keskeyttää silmukan, vaikka alkuehto olisi voimassa, ja for-silmukassa se keskeyttää silmukan, vaikka kaikkia tietoja ei olisi vielä käsitelty.

Uusi kierros

Seuraava ohjelma tulostaa parittomien lukujen neliöitä:

for i in range(10):
    if i % 2 == 0:
        continue
    print("Luvun", i, "neliö on", i * i)

Ohjelman tulostus on seuraava:

Luvun 1 neliö on 1
Luvun 3 neliö on 9
Luvun 5 neliö on 25
Luvun 7 neliö on 49
Luvun 9 neliö on 81

Tässä silmukan sisällä on komento continue, joka siirtyy silmukassa uudelle kierrokselle, jos käsiteltävä luku on parillinen. Komennon vaikutuksesta silmukan loppuosa jää suorittamatta, jos luku on parillinen, eli silmukka tulostaa vain parittomien lukujen neliöt.

Komentoa continue voi käyttää kaikissa silmukoissa: while-silmukassa se palaa silmukan alkuun ehdon tarkistukseen, ja for-silmukassa se palaa silmukan alkuun ja siirtyy seuraavan tiedon käsittelyyn.

Esimerkki: Viljanjyvät

Tarinan mukaan shakkipelin keksijä pyysi palkkiokseen yhden viljanjyvän shakkilaudan ensimmäiseen ruutuun, kaksi toiseen ruutuun, neljä kolmanteen ruutuun, kahdeksan neljänteen ruutuun jne., siis joka ruutuun kaksinkertaisen määrän jyviä edelliseen ruutuun verrattuna.

Seuraava ohjelma laskee, kuinka monta viljanjyvää shakkilaudan kuhunkin ruutuun tulisi ja kuinka monta viljanjyvää shakkilaudalla olisi yhteensä.

jyvat = 1
kaikki = 0
for ruutu in range(64):
    print("Ruudussa", ruutu + 1, "on", jyvat, "jyvää")
    kaikki += jyvat
    jyvat *= 2
print("Yhteensä", kaikki, "jyvää")

Ohjelman tulostus on seuraava:

Ruudussa 1 on 1 jyvää
Ruudussa 2 on 2 jyvää
Ruudussa 3 on 4 jyvää
Ruudussa 4 on 8 jyvää
... (välissä rivejä)
Ruudussa 61 on 1152921504606846976 jyvää
Ruudussa 62 on 2305843009213693952 jyvää
Ruudussa 63 on 4611686018427387904 jyvää
Ruudussa 64 on 9223372036854775808 jyvää
Yhteensä 18446744073709551615 jyvää

Shakkipelin keksijän palkkiota ei pystytty koskaan maksamaan, koska koko maailmassa ei ole näin monta viljanjyvää.

Esimerkki: Suorakulmiot

Seuraava ohjelma tulostaa suorakulmioita käyttäjän ohjeiden mukaisesti:

while True:
    korkeus = int(input("Korkeus: "))
    leveys = int(input("Leveys: "))
    if korkeus <= 0 or leveys <= 0:
        # negatiiviset arvot eivät kelpaa
        continue
    for y in range(korkeus):
        for x in range(leveys):
            # end = "" tarkoittaa, että ei tulosteta loppuun rivinvaihtoa
            print("*", end = "")
        # tässä taas tulostetaan pelkkä rivinvaihto
        print()
    vastaus = input("Haluatko jatkaa (k/e)? ")
    if vastaus == "e":
        break

Ohjelman tulostus voi olla seuraava:

Korkeus: 4
Leveys: 5
*****
*****
*****
*****
Haluatko jatkaa (k/e)? k
Korkeus: 2
Leveys: 10
**********
**********
Haluatko jatkaa (k/e)? k
Korkeus: 6
Leveys: 3
***
***
***
***
***
***
Haluatko jatkaa (k/e)? e

Ohjelman pääsilmukka on while-silmukka, jonka jokaisella kierroksella ohjelma tulostaa yhden suorakulmion for-silmukan avulla. Ensimmäinen for-silmukka tulostaa yhden suorakulmion rivin, ja toinen for-silmukka tulostaa yhden rivillä olevan merkin.

Esimerkki: Luvun tekijät

Luvun jakaminen tekijöihin tarkoittaa, että luku esitetään kertolaskuna, jossa olevia lukuja (tekijöitä) ei voi enää jakaa osiin. Toisin sanoen luku esitetään alkulukujen tulona. Esimerkiksi luvun 15 tekijät ovat 3 ja 5, koska 3 * 5 = 15, ja luvun 44 tekijät ovat 2, 2 ja 11, koska 2 * 2 * 11 = 44. Luku 31 on alkuluku, joten sitä ei voi jakaa osiin.

Seuraava ohjelma jakaa annetun luvun tekijöihin:

luku = int(input("Anna luku: "))
tekija = 2
while tekija <= luku:
    while luku % tekija == 0:
        luku //= tekija
        if luku > 1:
            # tulostetaan " * ", ellei kyseessä ole viimeinen tekijä
            print(tekija, end = " * ")
        else:
            # viimeisen tekijän jälkeen tulee normaalisti rivinvaihto
            print(tekija)
    tekija += 1

Seuraavassa on muutamia ohjelman tulostuksia:

Anna luku: 15
3 * 5

Anna luku: 44
2 * 2 * 11

Anna luku: 31
31

Ohjelma käy läpi mahdollisia luvun tekijöitä 2:sta alkaen. Jokaisen tekijän kohdalla luku jaetaan tekijällä ja tekijä tulostetaan, kunnes luku ei ole enää jaollinen tekijällä. Ohjelma päättyy, kun kokeiltava tekijä on lukua suurempi. Käytännössä tällöin luku on jakolaskujen seurauksena 1.