迭代与搜索

1939 年，欧内斯特·文森特·赖特出版了一部 50,000 字的小说《Gadsby》，书中不包含字母 "e"。由于 "e" 是英语中最常见的字母，即使不使用它写几个词也很困难。

为了感受这有多困难，在本章中我们将计算含有至少一个 "e" 的英语单词所占的比例。为此，我们将使用 for 循环来遍历字符串中的字母，并在循环中更新变量来计数。我们将使用 in 运算符来检查字母是否出现在单词中，你还将学习一种叫做"线性搜索"的编程模式。

循环与字符串

在第 3 章中，我们看到了使用范围表达式显示数字序列的 for 循环：

for i in 0..3 {
    print(i, end=" ")
}

我们也可以使用 for 循环来遍历字符串中的字母：

for letter in "Gadsby" {
    print(letter, end=" ")
}

在 for 循环中定义的变量被称为循环变量（loop variable）。在这个例子中，我们将变量名从 i 改为 letter，这提供了更多关于它所引用值的信息。

既然我们可以遍历单词中的字母，就可以检查它是否包含字母 "e"。以下是一个函数，如果单词包含 "e" 则返回 true，否则返回 false：

fn has_e(word: str) -> bool {
    for letter in word {
        if letter == 'E' || letter == 'e' {
            return true
        }
    }
    return false
}

这个函数遍历单词中的每个字母。如果找到 'E' 或 'e'，立即返回 true。如果遍历完整个循环都没有找到，返回 false。

Python 程序员注意：

Auto 使用 || 代替 Python 的 or。a2p 转译器会自动将 || 转换为 or。

遍历字符串并检查字母

工作原理

第一个循环遍历字符串 "Gadsby" 中的每个字符并用空格分隔打印。print 的 end=" " 参数防止每个字符后换行。

has_e 函数演示了提前返回模式：它遍历每个字母，一旦找到匹配项就返回 true。如果循环完成而没有找到匹配项，函数返回 false。注意第二个 return 在循环之外 -- 一个常见的错误是将两个 return 语句都放在循环内，这样只会检查第一个字母。

读取单词列表

要查看有多少单词包含 "e"，我们需要一个单词列表。在 Python 中，我们可以使用 open 函数读取文件，然后使用 for 循环处理每一行。

在 Auto 中，文件 I/O 的工作方式类似。以下是从文件中读取行的基本模式：

for line in open("words.txt") {
    let word = line.strip()
    print(word)
}

strip 方法从字符串的开头和末尾移除空白字符 -- 包括空格、制表符和换行符。这是必要的，因为文件中的每一行都以换行符结尾。

更新变量

正如你可能已经发现的，对同一个变量进行多次赋值是合法的。新的赋值使现有变量引用一个新值（并停止引用旧值）。

let mut x = 5
x = 7

一种常见的赋值是更新（update），变量的新值依赖于旧值：

let mut x = 7
x = x + 1

这个语句的意思是"获取 x 的当前值，加一，然后将结果赋回给 x"。

如果你尝试更新一个不存在的变量，会得到一个错误，因为右边的表达式在左边的赋值之前被求值。在更新变量之前，你必须先初始化（initialize）它，通常使用一个简单的赋值。

增加变量的值称为递增（increment）；减少变量的值称为递减（decrement）。由于这些操作非常常见，Auto 提供了增强赋值运算符，可以更简洁地更新变量：

let mut z = 0
z += 2

Python 程序员注意：

Auto 要求使用 let mut 来声明将被重新赋值的变量。a2p 转译器会将 let mut 转换为普通赋值。+=、-= 和 *= 等增强赋值运算符在两种语言中工作方式相同。

循环与计数

以下程序计算单词列表中的单词数量：

let mut total = 0

for line in open("words.txt") {
    let word = line.strip()
    total += 1
}

它首先将 total 初始化为 0。每次循环时，将 total 递增 1。因此，当循环退出时，total 引用单词的总数。

这样的变量，用于计算某事发生的次数，被称为计数器（counter）。

带范围的 for 循环与累加器模式

工作原理

第一个循环使用 0..5 从 0 计数到 4。在 Auto 中，0..5 产生值 0、1、2、3、4（上界是排他的）。第二个循环使用 0..=10，这是一个包含范围（inclusive range），包含 10，结合 if 语句过滤偶数。

第三个循环遍历字符串 "Auto" 中的字符。

最后一个例子演示了累加器模式（accumulator pattern）：初始化一个变量（total = 0），然后在循环中反复更新它（total += i）。这种模式在编程中经常用于计算总和、计数和其他聚合值。

in 运算符

我们之前编写的 has_e 版本比必要的复杂。Python 提供了一个 in 运算符来检查字符是否出现在字符串中。在 Auto 中，我们可以类似地使用 contains 方法或 in 运算符：

let word = "Gadsby"
print('e' in word)

所以我们可以更简单地重写 has_e。由于 if 语句的条件具有布尔值，我们可以直接返回布尔值：

fn has_e(word: str) -> bool {
    return 'e' in word.to_lowercase()
}

to_lowercase 方法将字符串中的字母转换为小写，创建一个新字符串而不修改原始字符串。这样，我们只需要检查小写的 'e'。

搜索

基于这个更简单的 has_e 版本，让我们编写一个更通用的函数 uses_any，它接受第二个参数作为字母字符串。如果单词使用了其中任何一个字母，它返回 true，否则返回 false：

fn uses_any(word: str, letters: str) -> bool {
    for letter in word.to_lowercase() {
        if letters.to_lowercase().contains(letter) {
            return true
        }
    }
    return false
}

uses_any 的结构与 has_e 类似。它逐个检查 word 中的字母。如果找到一个出现在 letters 中的字母，立即返回 true。如果遍历完整个循环都没有找到，返回 false。

这种模式被称为线性搜索（linear search）。

线性搜索：uses_any 和 find

工作原理

uses_any 使用 to_lowercase()（在 Python 中变为 .lower()）将 word 和 letters 都转换为小写，然后执行线性搜索：它将单词的每个字母与允许的字母进行检查。一旦找到匹配项，就返回 true。如果检查完所有字母后没有找到匹配项，返回 false。

find 演示了另一种搜索模式：它在单词中查找特定字母的第一次出现并返回其索引。它维护一个计数器（index），每次迭代递增。如果找到该字母，返回当前索引；如果循环完成而没有找到该字母，返回 -1 表示"未找到"。

Python 程序员注意：

Auto 使用 to_lowercase() 代替 Python 的 .lower() 方法。a2p 转译器会自动转换。Auto 使用 contains() 方法或 in 运算符进行成员测试，两者都转换为 Python 的 in 运算符。

文档测试

我们可以使用文档字符串来测试函数。以下是带有包含测试的文档字符串的 uses_any 版本：

def uses_any(word, letters):
    """检查单词是否使用了给定字母中的任何一个。

    >>> uses_any('banana', 'aeiou')
    True
    >>> uses_any('apple', 'xyz')
    False
    """
    for letter in word.lower():
        if letter in letters.lower():
            return True
    return False

每个测试以 >>> 开始，这在某些 Python 环境中用作提示符。下一行指示如果函数工作正确，表达式应该具有的值。

要运行这些测试，我们使用 doctest 模块。如果所有测试都通过，不会显示任何输出 -- 在这种情况下，没有消息就是好消息。如果测试失败，输出将包括失败的示例、期望值和实际值。

使用累加器计数

让我们将学到的模式结合起来。以下是一个函数，计算特定字母在单词中出现的次数，然后用它来计算列表中有多少单词包含特定字母：

使用累加器模式计数

工作原理

count_letter 演示了计数器/累加器模式：将 count 初始化为 0，遍历每个字母，找到匹配项时递增 count，最后返回最终计数。

在 main() 中，我们首先用几个示例测试 count_letter。然后在一个更大的模式中使用它：我们遍历一个单词列表，维护两个计数器 -- total（所有单词）和 count_e（包含 'e' 的单词）。这演示了累加器模式如何扩展以解决实际问题。百分比计算显示大约三分之二的英语单词包含字母 "e"，这解释了为什么不使用它来写一本书是如此困难。

调试

调试循环时，最常见的错误包括：

• 差一错误（Off-by-one errors）：循环多运行一次或少运行一次。这通常是因为对范围的上界是包含还是排他的混淆造成的。

• 无限循环（Infinite loops）：如果循环条件永远不会为假，循环将永远运行。在 Auto 中，带范围的 for 循环总是会终止，但 for cond {} 循环（行为类似于 while 循环）如果条件永远不变为假，可能会无限循环。

• 错误的初始化：忘记在循环之前初始化计数器或累加器，或者初始化为错误的值。

• 作用域错误：试图在循环外使用循环变量，或者忘记循环内创建的变量在循环结束后不会持续存在。

术语表

循环变量（loop variable）： 在 for 循环头部定义的变量。

文件对象（file object）： 表示打开的文件并跟踪文件哪些部分已被读取或写入的对象。

方法（method）： 与对象关联并通过点运算符调用的函数。

更新（update）： 为已存在的变量赋予新值的赋值语句。

初始化（initialize）： 创建一个新变量并赋予它一个值。

递增（increment）： 增加变量的值。

递减（decrement）： 减少变量的值。

计数器（counter）： 用于计数的变量，通常初始化为零然后递增。

累加器（accumulator）： 用于累加结果的变量，例如总和或计数。

线性搜索（linear search）： 一种计算模式，搜索一系列元素并在找到目标时停止。

通过（pass）： 如果测试运行且结果符合预期，则测试通过。

失败（fail）： 如果测试运行且结果不符合预期，则测试失败。

练习

练习

编写一个名为 uses_none 的函数，接受一个单词和一个禁止字母字符串，如果单词不使用任何禁止字母则返回 true。

uses_none('banana', 'xyz')   // 应该返回 true
uses_none('apple', 'efg')    // 应该返回 false

练习

编写一个名为 uses_only 的函数，接受一个单词和一个字母字符串，如果单词只包含该字符串中的字母则返回 true。

uses_only('banana', 'ban')   // 应该返回 true
uses_only('apple', 'apl')    // 应该返回 false

练习

编写一个名为 uses_all 的函数，接受一个单词和一个字母字符串，如果单词至少包含该字符串中的所有字母各一次则返回 true。

uses_all('banana', 'ban')   // 应该返回 true
uses_all('apple', 'api')    // 应该返回 false

练习

《纽约时报》每天发布一个名为"Spelling Bee"的谜题，挑战读者仅使用七个字母拼出尽可能多的单词，其中一个是必需的字母。单词必须至少有四个字母。

编写一个名为 check_word 的函数来检查给定单词是否可接受。它应该接受要检查的单词、七个可用字母的字符串和包含单个必需字母的字符串作为参数。你可以使用之前练习中编写的函数。

check_word('color', 'ACDLORT', 'R')    // 应该返回 true
check_word('ratatat', 'ACDLORT', 'R')  // 应该返回 true
check_word('rat', 'ACDLORT', 'R')      // 应该返回 false（太短）
check_word('told', 'ACDLORT', 'R')     // 应该返回 false（缺少 R）