イテレーション（反復処理）とは？

10,000人のユーザーにリマインダーメールを送るプログラムに、送信のコードが10,000個書かれているわけではありません。コードは1つだけで、ループの中にあり、ループがユーザーごとに1回ずつそれを実行します。1回の実行が1回のイテレーションで、ループ全体が、プログラムがユーザーを順に処理する（イテレートする）方法です。

イテレーションのしくみを順番に

どのループも同じサイクルをたどります。

1. チェック。 ループの条件を調べます。条件はブール値です。次の要素はあるか、カウンタはまだ上限より小さいか。
2. 実行。 答えが真なら、ループ本体を1回実行します。
3. 更新。 次の要素に進むか、カウンタを変えます。
4. 繰り返し。 手順1に戻ります。チェックの結果が偽になると、プログラムはループの後のコードに進みます。

次の例では本体が5回実行され、各イテレーションで次の数を累計に足していきます。

total = 0

for n in range(1, 6):
    total = total + n
    print("iteration", n, "total is now", total)

print("Done:", total)

iteration 1 total is now 1
iteration 2 total is now 3
iteration 3 total is now 6
iteration 4 total is now 10
iteration 5 total is now 15
Done: 15

変数 total はループの外にあるので、あるイテレーションから次のイテレーションへ値が引き継がれます。ループの前に設定し、ループの中で更新する変数というこのパターンはアキュムレータと呼ばれ、何かを計算するループのほとんどに登場します。

回数で決まるループと条件で決まるループ

イテレーションには2種類あります。確定反復は、決まった回数だけ実行されます。リストの要素ごとに1回、1から5までの数ごとに1回、といった具合です。Pythonの for ループはこのために作られていて、range()と一緒に使うことがよくあります。

不定反復は、何かが起こるまで繰り返し、何回繰り返すかは事前にわかりません。これには while ループが合っています。

balance = 100
years = 0

while balance < 200:
    balance = balance * 1.10
    years = years + 1

print(years, "years, balance", round(balance, 2))

8 years, balance 214.36

年10%で増えるお金は、2倍になるまで8年かかります。プログラムは方程式を解くのではなく、反復によってそれを見つけました。Pythonでの両方の書き方は、forループとwhileループのガイドで説明しています。

コレクションをイテレートする

ほとんどのループはコレクションをたどります。配列の要素、文字列の文字、ファイルの行などです。Pythonの for ループは各要素を直接渡してくれ、enumerate() を使うとその位置も加わります。

fruits = ["apple", "banana", "cherry"]

for index, fruit in enumerate(fruits):
    print(index, fruit)

0 apple
1 banana
2 cherry

裏側では、for は iter() でコレクションにイテレータを求め、イテレーションごとに1回そのイテレータに対して next() を呼んでいます。同じ呼び出しを自分でしてみることもできます。

colors = ["red", "green", "blue"]

it = iter(colors)
print(next(it))
print(next(it))
print(next(it))
print(next(it, "no more items"))

red
green
blue
no more items

既定値を渡さないと、4回目の next() は StopIteration を発生させます。この例外が、コレクションが終わったことを for ループが知るための合図です。

ほかの言語では、同じ考え方を別の書き方で表します。Cはインデックスで数え、JavaとJavaScriptには各要素を渡してくれるループもあります。

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    printf("%s\n", colors[i]);
}

for (String color : colors) {
    System.out.println(color);
}

for (const color of colors) {
    console.log(color);
}

反復と再帰の違い

再帰は、処理を繰り返すもう1つの方法です。関数が、問題の小さな版に対して自分自身を呼び出し、直接答えられる場合に届くまで続けます。一方で書けるものは他方でも書けますが、振る舞いは違います。

実際に効いてくるのはメモリの行です。Pythonは既定で入れ子の呼び出しを約1,000回までしか許さないので、5,000個の数の再帰的な合計は、ループなら問題なく計算できるところで失敗します。

def sum_loop(n):
    total = 0
    for k in range(1, n + 1):
        total = total + k
    return total

def sum_recursive(n):
    if n == 0:
        return 0
    return n + sum_recursive(n - 1)

print(sum_loop(100), sum_recursive(100))
print(sum_loop(5000))

try:
    print(sum_recursive(5000))
except RecursionError:
    print("sum_recursive(5000) failed: RecursionError")

5050 5050
12502500
sum_recursive(5000) failed: RecursionError

再帰の可視化では、呼び出しのスタックが1ステップずつ伸び縮みする様子を見られます。

よくある間違い

無限ループ。 条件が決して偽にならない while ループは、プログラムを止めるまで動き続けます。よくある原因は更新の手順を忘れることで、たとえば count = count - 1 を書き忘れた場合です。

1つずれる。 range(1, 5) は1、2、3、4を返し、5は含みません。終わりの値は除外されるからです。1回多く、あるいは1回少なく実行されるループもエラーなしで動いてしまい、間違った答えを出します。これは論理エラーです。

ループ中のリストを変更する。 イテレートしているリストから要素を削除すると、ループが要素を飛ばしてしまいます。

numbers = [1, 2, 2, 3]

for n in numbers:
    if n == 2:
        numbers.remove(n)

print(numbers)

[1, 2, 3]

2が1つ残りました。最初の2を削除したことで、2つ目の2が、ループがすでに通り過ぎた位置にずれたからです。代わりに新しいリストを作りましょう: numbers = [n for n in numbers if n != 2]。

次に読むもの

ループはコレクションをたどるので、配列とは何かが自然な関連ページです。ループがいつ止まるかを決める真か偽かのチェックについてはブール値とは何かで説明しています。ループがエラーメッセージなしで間違った結果を出すときは、論理エラーとは何かを読んでください。ループを書く練習をするなら、Pythonコースを始めるか、上の例をPythonプレイグラウンドで試してみましょう。