使用 for 循环重复任务

许多编程任务需要重复执行相同或类似的操作。例如，你可能需要处理班级中每个学生的记录，计算多个银行账户的利息，或者仅仅是打印一系列数字。为每次重复编写单独的指令效率低下且容易出错。循环在此提供了一个强效的解决办法。Julia 中的 for 循环旨在遍历一系列项，对该序列中的每个项执行一段代码。当你预先知道重复次数或需要处理一个集合中的所有项时，这使其成为自动化重复过程的绝佳工具。

Julia for 循环的结构

核心上，Julia 的 for 循环具有直观的结构。让我们分析一下它的语法：

for variable in iterable
    # Code to be executed in each iteration
    # This is the loop body
end

各部分含义如下：

• for：这个关键字标志着 for 循环的开始。
• variable：这是一个临时变量，在循环的每次通过（或迭代）中，它都持有来自 iterable 的当前项。你可以选择此变量的名称（例如，i、item、number、char）。在每次迭代中，Julia 会将 iterable 中的下一个值分配给此变量。
• in：这个关键字将循环 variable 与 iterable 集合分开。
• iterable：这是循环将遍历的项序列或集合。常见的可迭代对象包括数字范围、数组、元组和字符串。
• 循环体：for 行和 end 关键字之间缩进的代码行构成循环体。这是会重复执行的代码。
• end：这个关键字标志着 for 循环的结束。

遍历常见的可迭代对象

当处理数据集合时，for 循环的优点就十分明显。让我们看看它们如何在 Julia 中与一些最常见的可迭代类型配合使用。

范围

范围是指定数字序列的常用方式。$1:5$ 这样的范围表示数字 1、2、3、4 和 5。

println("Counting from 1 to 5:")
for i in 1:5
    println(i)
end

当这段代码运行时，Julia 会执行 println(i) 行五次。 第一次迭代时，$i$ 为 1。 第二次迭代时，$i$ 为 2，依此类推，直到 $i$ 为 5。 输出将是：

Counting from 1 to 5:
1
2
3
4
5

你还可以创建带有“步长”的范围。例如，$2:2:10$ 创建一个从 2 开始，每次增加 2，直到 10 的序列（即 2、4、6、8、10）。

println("Even numbers from 2 to 10:")
for num in 2:2:10
    println(num)
end

Output:

Even numbers from 2 to 10:
2
4
6
8
10

数组

数组是项的有序集合。你可以使用 for 循环来处理数组中的每个元素。

colors = ["red", "green", "blue"]
println("My favorite colors are:")
for color in colors
    println(color)
end

Output:

My favorite colors are:
red
green
blue

在每次迭代中，color 变量都取 colors 数组中下一个元素的值。

元组

元组与数组类似，但它们是不可变的（即创建后不能更改）。它们也可以通过 for 循环进行迭代。

point = (10, 20, 30) # A tuple representing coordinates
println("Coordinates:")
for coordinate in point
    println(coordinate)
end

Output:

Coordinates:
10
20
30

字符串

在 Julia 中，字符串可以被视为字符集合。for 循环可以遍历字符串中的每个字符。

message = "Hello"
println("Characters in 'Hello':")
for char in message
    println(char)
end

Output:

Characters in 'Hello':
H
e
l
l
o

理解循环变量

循环变量（如我们示例中的 i、color、char）是一个临时占位符。

1. 赋值：在循环体每次迭代之前，Julia 会将 iterable 中的下一个值分配给此变量。
2. 作用域：循环变量通常是 for 循环的局部变量。这意味着它只存在于循环体内，并且在循环执行完毕后无法从循环外部访问（除非它是在循环外部声明的，这是一种更高级的情况）。对于常见的 for item in collection 模式，可以将 item 视为在每次迭代中都可用的新变量，并且在循环结束后即消失。

在循环内部执行操作

循环体可以包含任何有效的 Julia 代码。你可以在这里执行想要重复的操作。你可以进行计算、调用函数，甚至使用像 if 这样的条件语句。

一种常见模式是使用循环来累加结果。例如，计算一个范围内所有数字的和：

total_sum = 0 # Initialize an accumulator variable
for number in 1:10
    total_sum = total_sum + number # Add current number to total_sum
end
println("The sum of numbers from 1 to 10 is: ", total_sum)

Output:

The sum of numbers from 1 to 10 is: 55

在每次迭代中，total_sum 都会更新。这说明了表达式（如 total_sum + number）如何在循环内求值。

你还可以在循环中包含条件逻辑。例如，我们只对一个范围内的偶数求和：

sum_of_evens = 0
for num in 1:10
    if num % 2 == 0  # Check if num is even
        sum_of_evens = sum_of_evens + num
    end
end
println("Sum of even numbers from 1 to 10: ", sum_of_evens)

Output:

Sum of even numbers from 1 to 10: 30

在这里，for 循环内部的 if 语句控制着每次迭代中是否执行加法操作。

嵌套 for 循环

你可以将一个 for 循环放置在另一个 for 循环内部。这被称为嵌套循环。当你需要遍历项的组合或处理多维数据结构（如网格或表格）时，嵌套循环很有用。

考虑打印数字和字母的配对：

for i in 1:2
    println("Outer loop: i = ", i)
    for char_val in ['a', 'b']
        println("  Inner loop: char_val = ", char_val, ", Pair: (", i, ", ", char_val, ")")
    end
end

输出说明了内层循环如何在外层循环的每次迭代中完成其所有迭代：

Outer loop: i = 1
  Inner loop: char_val = a, Pair: (1, a)
  Inner loop: char_val = b, Pair: (1, b)
Outer loop: i = 2
  Inner loop: char_val = a, Pair: (2, a)
  Inner loop: char_val = b, Pair: (2, b)

The outer loop runs twice. For i = 1, the inner loop runs twice (for 'a' and 'b'). Then, for i = 2, the inner loop runs twice again.

循环执行的图示

for 循环的普遍过程可以如下图所示：

此图说明了流程：循环开始，检查是否有项，将项赋值给变量，执行主体，然后通过检查是否有更多项来重复。如果没有剩余项，循环结束。

何时使用 for 循环

for 循环在以下情况是理想的：

1. 你有一个确定的项集合（如数组、元组或字符串），并且想对每个项进行操作。
2. 你预先知道要重复一个操作多少次（例如，使用 1:100 这样的范围）。

本章后面，你将了解 while 循环，它更适合迭代次数事先未知但取决于某个条件满足的情况。目前，熟练掌握 for 循环将为你自动化许多常见编程任务打下坚实根基。正如你将看到的，通过循环控制程序流程是编写更强大、更高效的 Julia 代码的重要一步。