Что такое итерация?

Программа, которая отправляет письмо с напоминанием 10 000 пользователей, не содержит 10 000 копий кода отправки. Она содержит этот код один раз, внутри цикла, и цикл выполняет его по разу для каждого пользователя. Каждое выполнение является одной итерацией, а цикл целиком и есть то, как программа перебирает (итерирует) своих пользователей.

Как работает итерация, шаг за шагом

Каждый цикл следует одному и тому же порядку:

1. Проверка. Проверить условие цикла, которое является boolean: есть ли ещё элемент, не достиг ли счётчик предела?
2. Выполнение. Если ответ истинный, выполнить тело цикла один раз.
3. Обновление. Перейти к следующему элементу или изменить счётчик.
4. Повторение. Вернуться к шагу 1. Когда проверка даёт ложь, программа продолжает выполнение с кода после цикла.

Здесь тело выполняется пять раз, и на каждой итерации к накопленной сумме прибавляется следующее число:

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

Переменная total находится вне цикла, поэтому сохраняет значение от одной итерации к другой. Такой приём, переменная, заданная до цикла и обновляемая внутри него, называется аккумулятором, и он встречается почти в каждом цикле, который что-то вычисляет.

Циклы со счётчиком и циклы с условием

Итерация бывает двух видов. Определённая итерация выполняется известное число раз: по разу для каждого элемента списка или для каждого числа от 1 до 5. Цикл for в Python создан для этого, часто вместе с range().

Неопределённая итерация повторяется, пока что-то не произойдёт, и число проходов заранее неизвестно. Для этого подходит цикл while:

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

Деньги, которые растут на 10% в год, удваиваются за 8 лет. Программа выяснила это перебором, а не решением уравнения. Руководства циклы for и циклы while разбирают оба вида в Python.

Обход коллекции

Большинство циклов проходят по коллекции: элементам массива, символам строки, строкам файла. Цикл for в Python выдаёт каждый элемент напрямую, а enumerate() добавляет его позицию:

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

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

0 apple
1 banana
2 cherry

За кулисами for запрашивает у коллекции итератор через iter(), а затем вызывает у него next() по разу на каждой итерации. Те же вызовы можно сделать самому:

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

Без значения по умолчанию четвёртый next() вызывает StopIteration. По этому исключению цикл for понимает, что коллекция закончилась.

В других языках та же идея записывается по-другому. В C считают с помощью индекса, а в Java и JavaScript есть и цикл, который выдаёт каждый элемент:

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);
}

Итерация и рекурсия

Рекурсия является другим способом повторять работу: функция вызывает саму себя для меньшей версии задачи, пока не дойдёт до случая, на который может ответить сразу. Всё, что написано одним способом, можно написать и другим, но ведут они себя по-разному:

Строка про память важна на практике. Python по умолчанию допускает около 1000 вложенных вызовов, поэтому рекурсивная сумма 5000 чисел завершается ошибкой там, где цикл справляется без проблем:

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

Визуализация рекурсии показывает, как стек вызовов растёт и уменьшается шаг за шагом.

Частые ошибки

Бесконечный цикл. Цикл while, условие которого никогда не становится ложным, работает, пока ты не остановишь программу. Обычная причина в забытом шаге обновления, например пропущенной строке count = count - 1.

Ошибка на единицу. range(1, 5) даёт 1, 2, 3 и 4, но не 5, потому что конечное значение не включается. Цикл, который выполняется на один раз больше или меньше, чем нужно, всё равно работает без ошибки и даёт неверный ответ: это логическая ошибка.

Изменение списка во время его обхода. Если удалять элементы из списка, по которому идёт цикл, цикл пропускает элементы:

numbers = [1, 2, 2, 3]

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

print(numbers)

[1, 2, 3]

Одна двойка уцелела, потому что удаление первой двойки сдвинуло вторую на позицию, которую цикл уже прошёл. Вместо этого создай новый список: numbers = [n for n in numbers if n != 2].

Что изучить дальше

Циклы обходят коллекции, поэтому страница что такое массив станет естественным дополнением, а что такое boolean объясняет проверки на истину и ложь, которые решают, когда цикл остановится. Если цикл даёт неверный результат без сообщения об ошибке, прочитай, что такое логическая ошибка. Чтобы потренироваться писать циклы, начни курс Python или попробуй примеры выше в песочнице Python.