- 任务：猜数游戏。
5.1 任务简介与分析
这个任务就是经典的猜数字游戏，游戏流程大致是：计算机在1~1000间随机选取一个数字，然后告诉玩家要在某个限定次数内将这个数字猜出来。玩家每输入一个猜测值，计算机会告诉玩家，猜大了，小了还是对了，猜中则游戏结束，失败则游戏重新开始。
整个过程并不复杂，但既然是我们亲手做的第一个游戏，我们还是希望能把它做得有模有样，有欢迎页面，有菜单选择，有游戏说明、有GAME OVER页面，有猜中祝贺词，有游戏制作团队信息等。因此，我们把实现思路，大致步骤整理并记录下来，程序框架大概是下面这个样子：
显示欢迎页面
显示游戏菜单
选择菜单玩游戏
猜数过程
显示GAME OVER5.2 编程规划与伪码
根据任务分析中的框架(甚至不用)来直接写代码完成任务也无不可，特别对前几小节中一些非常简单的任务，我们甚至都没有把程序框架描述出来。
但其实程序规划与程序框架的形成非常重要，实际编程需要解决的的问题/任务可能会很复杂，很少能一次想清楚，基本不能一次编程运行成功。如果我们事先没有做清晰的程序规划，在编写了上百行或者更多的代码之后，可能会频频发现问题，然后再回头整理思考修改，如此反复，这个过程，可能会多花几倍的时间，而且可能会痛苦不堪，狼狈不堪。
有关编程规划的相关内容可以另写一本书，我们这里只先介绍最基本的思路，即将程序流程在开始编写程序之前设计描述出来。
程序流程就是我们解决问题/任务的一个个具体步骤，每一个具体步骤也可能会被分解成更具体的步骤，最后写成对应计算机代码。
程序流程的描述要清楚明确简单，一般用伪码，是类似我们平时所用的语言(自然语言)和编程语言之间的一种语言，有更偏于自然语言伪码，有更偏于编程语言的伪码。上一小节中的程序框架，就是偏于自然语言的伪码。
有了程序框架以后，我们要将其逐步细化与提炼，来继续完善程序流程设计，可以分别对每一步进行。细化过程可能需要多次，直到细化到每个步骤基本可以用程序代码简单实现。
比如我们对选择菜单玩游戏进行细化：
一直等待用户选择：
如果选择1：
则显示游戏玩法说明
显示游戏菜单
如果选择2：
则进入猜数游戏过程
如果选择3：
则显示GAME OVER
退出游戏
如果选择4：
则显示游戏制作团队
显示游戏菜单以下是细化后的整个猜数游戏程序流程：
主程序流程：
请用户输入信息
显示欢迎用户
显示游戏菜单
一直做如下步骤：
等待用户选择
如果选择1：
则显示游戏玩法说明
显示游戏菜单
如果选择2：
则进入猜数游戏过程
如果选择3：
则显示GAME OVER
退出游戏
如果选择4：
则显示游戏制作团队
显示游戏菜单
猜数函数流程：
请玩家输入一个整数n
在1-1000之间随机取一个整数number
取一个最多可猜测次数，玩家已猜测次数设为0，
一直做如下步骤直到已猜测次数大于最多可猜测次数：
让玩家猜测一次
玩家猜测次数加一
告诉玩家目前猜测次数
如果玩家猜中了：
恭喜猜中
显示数字及猜测次数
退出循环
如果玩家猜测数字大于number：
告诉玩家猜大了
否则：
告诉玩家猜小了
告诉玩家还能猜几次
否则：
显示超过次数，猜测失败。然后我们可以根据上述用伪码描述的流程来进行代码实现。
5.3 多行文本
注意到程序流程中有显示欢迎界面，显示菜单，显示GAME OVER等，功能仅仅是显示文本，比较容易，我们先搞定这些。
首先是显示游戏菜单，由于要多次显示，因此我们将其做成函数。
def menu():
print('=====游戏菜单=====')
print('1. 游戏说明')
print('2. 开始游戏')
print('3. 退出游戏')
print('4. 制作团队')
print('=====游戏菜单=====')
#主程序，为测试函数结果
menu()menu()函数就是简单的一行行打印字符串，但是重复使用print()函数比较繁琐，python提供了用表示多行字符的表示方法，可以一并打印。
- 键入如下代码并观察执行结果。
def menu():
print('''=====游戏菜单=====
1. 游戏说明
2. 开始游戏
3. 退出游戏
4. 制作团队
=====游戏菜单=====''')
#主程序，为测试函数结果
menu()首先我们发现，print()函数的两个括号之间跨越了多行。这也行？是的，python语言允许()内的分隔符及变量/对象之间跨越多行，还同时允许其间有空格：
# ()之间跨行示例
print(100
)
a = (5+
10)*100
print(a)
b = 8 + ( 10+
100)*20
def test(a,
b):
print('OK')
test(a,
b)但是不难看出，故意使用跨行和增加空格虽然不会报错，但是会使程序的可读性显得很差，因此要在需要的时候才使用这些方式。键入如下代码，并观察执行结果。
# ()之间跨行示例2
ex_string = ('字符行1
字符行2
字符行3')出现错误的原因是，整个''之间是一个字符串，因而不能对其跨行。
- 多行字符串表示的基本格式如下：
'''
字符行1
字符行2
字符行3
...
字符行n
'''多行字符串除了多行的特点外，其使用与一般字符串没有区别：
# 多行字符串使用示例
ex_string = '''
字符行1
字符行2
字符行3
'''
print(ex_string)
print('''
字符行4
字符行5
字符行6''')分别实现欢迎、恭喜胜利、失败及GAME OVER界面的函数(实际字符图形可由读者自行设计)：
def welcome():
print(
'''
======欢迎来到猜数游戏=======
/ \ , ,
_._ _ |oo| _ / \__/ \
_|||| ((/ () \)) / \
|||||/| ( ==== ) |oo|
\____/ _`\ /'_ / \
/ /.-' /\<>/\ `\.( () )_._
| ` / \/ \ /`'--'////)
\__,-'`| |. |\/ |/\/\|"\"`
| |. | \___/\___/
| |. | | |
======欢迎来到猜数游戏=======
'''
)
def win():
print(
'''
======恭喜你，你赢了=======
."". ."",
| | / /
| | / /
| | / /
| |/ ;-._
} ` _/ / ;
| /` ) / /
| / /_/\_/\
|/ / |
( ' \ '- |
\ `. /
| |
| |
======恭喜你，你赢了=======
'''
)
def lose():
print(
'''
======YOU LOSE=======
.-" "-.
/ \
| |
|, .-. .-. ,|
| )(__/ \__)( |
|/ /\ \|
(@_ (_ ^^ _)
_ ) \_______\__|IIIIII|__/__________________________
(_)@8@8{}<________|-\IIIIII/-|___________________________>
)_/ \ /
(@ `--------`
======YOU LOSE=======
'''
)
def game_over():
print(
'''
======GAME OVER=======
_________
/ ======= \
/ __________\
| ___________ |
| | - | |
| | | |
| |_________| |________________
\=____________/ )
/ """"""""""" \ /
/ ::::::::::::: \ =D-'
(_________________)
======GAME OVER=======
'''
)5.4 random模块
现在开始实现猜数函数，得到玩家输入整数n以后，第一步是从1~n中随机取一个整数，我们似乎毫无头绪，但是不用急，这个功能只需要调用一个函数，但这次的函数调用与之前我们直接使用input()及print()内置函数略有不同，因为这个函数并非python语言内置函数，因此使用时，需要额外一步将其引入。
- 键入如下代码执行5次，并观察结果。
import random
number = random.randint(1, 1000)
print(number)本段代码中第一行的import是一个python关键字，import关键字的用途是加载/导入/引入模块。模块就是程序代码文件，可提供多个对象/函数，在被import进来以后，对象/函数等就可供当前程序使用。
如果一个函数/对象就是一个模块，则模块很容易杂乱无章，于是，通常将相关功能的函数/对象组织在一起，组成一个模块。
random模块是python标准库中的一个模块，无需另行安装就可以直接导入，random模块提供了多个函数对象，这些函数功能都与随机数有关。比如random模块内部有一个randint()函数，这个函数需要两个整数参数值，然后返回这两个值之间(闭区间)的一个随机整数。
加载模块的方法就是：import 模块名。调用模块内函数的最常用方法是模块名.函数名(参数表)，可以将.视作的，即调用某模块的某个函数。
模块加载后，自身就是一个对象，一样遵循作用域规则。键入示例并运行：
# 模块加载作用域示例1
import random
def test1():
number = random.randint(1, 1000)
print(number)
def test2():
num = random.randint(10, 100)
print(num)
test1()
test2()键入示例并运行：
# 模块加载作用域示例2
def test():
import random
number = random.randint(1, 1000)
print('test:', number)
test()
number = random.randint(1, 1000) #错误，random作用域只在test()函数中键入示例并运行：
# 模块加载作用域示例3
def test1():
import random
number = random.randint(1, 1000)
print('test1:', number)
def test2():
number = random.randint(1, 1000) #错误，random作用域只在test()函数中
test1()
test2()5.5 math模块
猜数函数流程的下一步是需要取一个最多可猜测次数，可以将这个次数设为n，基本保证99%玩家能够猜中并取得胜利。但如果想给这个游戏玩家稍微一点儿挑战，我们可将该次数设为：以2为底n的对数(具体原因请读者自行分析)。可利用在math(数学)模块中对数函数来求对数。
- 键入以下代码并观察执行结果。
import math
max_times = math.log2(64)
print(max_times)好，已经为游戏玩家设置了精英级的挑战难度，你是不是已经在摩拳擦掌，迫不及待了呢？让我们加快速度。
5.6 break及while...else
首先对着函数的如下伪码，我们先一气呵成写完这个函数。
猜数函数流程：
请玩家输入一个整数n
在1-1000之间随机取一个整数number
取一个最多可猜测次数，玩家已猜测次数设为0，
一直做如下步骤直到已猜测次数大于最多可猜测次数：
让玩家猜测一次
玩家猜测次数加一
告诉玩家目前猜测次数
如果玩家猜中了：
恭喜猜中
显示数字及猜测次数
退出循环
如果玩家猜测数字大于number：
告诉玩家猜大了
否则：
告诉玩家猜小了
告诉玩家还能猜几次
否则：
显示超过次数，猜测失败。- 请键入函数代码并观察运行结果。
import random, math
# 临时win(), lost()函数，测试用。
def win():
print('Win!')
def lose():
print('Lose!')
def guess_game():
n = int(input('请输入一个大于0的整数，作为神秘整数的上界，回车结束。'))
number = random.randint(1, n)
max_times = math.ceil(math.log2(n))
guess_times = 0
while guess_times <= max_times:
guess = int(input('请输入你猜测的整数，回车结束。'))
guess_times += 1
print('一共可以猜', max_times, '次')
print('你已经猜了', guess_times, '次')
if guess == number:
win()
print('神秘数字是：', guess)
print('你比标准次数少', max_times-guess_times, '次')
break
elif guess > number:
print('抱歉，你猜大了')
else:
print('抱歉，你猜小了')
else:
print('神秘数字是：', number)
lose()
# 临时主程序，用于测试guess_game()
guess_game()我们发现从根据伪码来写代码是一件较为轻松的事情，所有思路已经清楚，并记录下来，我们只要用已经掌握的python语法实现即可。
ceil()是math模块中的函数，功能是由一个浮点数得到对应的向上取整的整数。
break是python的关键字，用于退出break所在的当前层循环结构。
- 键入以下代码并观察运行结果。
# break 示例
i = 0
while i < 1000:
print('这里，i=', i)
break
print('==================')
i = 0
while i < 1000:
i += 1
if i==100:
print('if结构内部，i=', i)
break
print('==================')
i = 0
j=0
while i < 5:
print('i=', i)
while j < 100:
print('j=', j)
if j == 2:
print('break出当前层循环结构')
break
j += 1
i += 1关键字else也可以被用在while循环结构中。当while语句中的条件表达式的值成为或初始即为False时，运行else所带的语句块。此时while结构的基本形式为：
while 条件表达式: #条件表达式值为True
循环体
else: #当条件表达式值为False
语句块5.7 main()函数及程序结构
现在来看看主体流程：
显示游戏菜单
一直做如下步骤：
显示游戏菜单
等待用户选择
如果选择1：
则显示游戏玩法说明
如果选择2：
则进入猜数游戏过程
如果选择3：
则显示GAME OVER
退出游戏
如果选择4：
则显示游戏制作团队根据主体流程伪码来实现主体流程代码，其中的玩法说明函数show_instruction()及游戏制作团队函数show_team()留给读者自行完成。
# 主函数 主体流程
def main():
while True:
menu()
choice = int(input('请输入你的选择'))
if choice == 1:
show_instruction()
elif choice == 2:
guess_game()
elif choice == 3:
game_over()
break
else:
show_team()
#主程序，测试 main() 用
main()我们定义了一个函数，起名为main，main()函数中放置了整个主体流程，因此也可以称这个main()函数为主函数，实际上也可以起不同的名字，但是将主体流程程序起名为main()是编程惯例。
将主体流程放置在main()函数内的好处主要有两个：
- 将主体流程所用到的对象/变量等的作用域限制在
main()内，而不至于都成为全局变量，被其他自定义函数误用。 - 可以方便的实验不同主体流程，或者在未来将这个主体流程最终改成一个一般的函数。
一个一般的程序结构大致可规划成如下：
#coding: utf-8 #指定程序代码使用的编码
'''
注释部分
'''
------------空行-----------
# 模块加载部分
import 模块1
...
import 模块2
------------空行-----------
# 用户自定义部分
def fun1()
...
def funn()
...
------------空行-----------
# 主函数部分
def main()
...
------------空行-----------
主程序部分
if __name__ = '__main__': #后面章节会进行解释
main()5.8 拓展与知识点总结
- python标准库。
math与random都是python标准库中的模块，是随着python语言的安装自动安装的。python标准库中除了一些内置函数及math与random模块外，还有很多模块，涉及到字符处理、数学计算、文件、网络、图形等等。
python标准库的具体使用可参见官方文档：https://docs.python.org/3/library/index.html
python标注库内容丰富功能强大，所以可以针对自己的兴趣，时常翻看python标准库的文档，了解各种库的用途。
在实际任务中，首先要想到是否标准库中有可以实现类似功能的模块，或者是借助标准库中的模块来完成，然后查阅文档，再进行编程。 random()函数。除了介绍过的可以用该模块下的randint()函数来产生随机整数以外，下例是用该模块下的random()直接产生[0.0, 1.0)之间的浮点数。该模块内还有很多与随机数相关的函数，具体可参考官方文档：https://docs.python.org/3/library/random.html
# random生成浮点数示例
import random
i=0
while i < 5:
n = random.random()
print(n)
i += 1- math模块，提供数学函数等功能。具体函数与使用可参考官方文档：https://docs.python.org/3/library/math.html
列举几个常用的函数如下：
math.ceil(x)
Return the ceiling of x, the smallest integer greater than or equal to x.
math.floor(x)
Return the floor of x, the largest integer less than or equal to x.
math.exp(x)
Return e**x
math.log(x[, base])
With one argument, return the natural logarithm of x (to base e).
With two arguments, return the logarithm of x to the given base.
math.log2(x)
Return the base-2 logarithm of x. This is usually more accurate than log(x, 2).
math.log10(x)
Return the base-10 logarithm of x. This is usually more accurate than log(x, 10).
math.sqrt(x)
Return the square root of x.
math.sin(x)
Return the sine of x radians.
math.cos(x)
Return the cosine of x radians.
5.9 完整代码
'''
函数及程序结构示例
猜数游戏1.0
几个函数的具体代码，没有给出，请大家自行设计字符图案。
'''
import random, math
def win():
#自行设计
def lose():
#自行设计
def game_over():
#自行设计
def show_team():
#自行设计
def show_instruction():
#自行设计
def menu():
print('''=====游戏菜单=====
1. 游戏说明
2. 开始游戏
3. 退出游戏
4. 制作团队
=====游戏菜单=====''')
def guess_game():
n = int(input('请输入一个大于0的整数，作为神秘整数的上界，回车结束。'))
number = random.randint(1, n)
max_times = math.ceil(math.log(n, 2))
guess_times = 0
while guess_times <= max_times:
guess = int(input('请输入你猜测的整数，回车结束。'))
guess_times += 1
print('一共可以猜', max_times, '次')
print('你已经猜了', guess_times, '次')
if guess == number:
win()
print('神秘数字是：', guess)
print('你比标准次数少', max_times-guess_times, '次')
break
elif guess > number:
print('抱歉，你猜大了')
else:
print('抱歉，你猜小了')
else:
print('神秘数字是：', number)
lose()
# 主函数
def main():
while True:
menu()
choice = int(input('请输入你的选择'))
if choice == 1:
show_instruction()
elif choice == 2:
guess_game()
elif choice == 3:
game_over()
break
else:
show_team()
#主程序
if __name__ == '__main__':
main()5.10 实践与练习
- 练习 1：写函数，求n个随机整数均值的平方根，整数范围在m与k之间（n,m,k由用户输入）。
- 练习 2：写函数，共n个随机整数，整数范围在m与k之间，（n,m,k由用户输入）。求1：西格玛log(随机整数)，2：西格玛1/log(随机整数)
- 练习 3：写函数，求s=a+aa+aaa+aaaa+aa...a的值，其中a是[1,9]之间的随机整数。例如2+22+222+2222+22222(此时共有5个数相加)，几个数相加由键盘输入。
- 挑战性练习：仿照task5，将猜数游戏改成由用户随便选择一个整数，让计算机来猜测的猜数游戏，要求和task5中人猜测的方法类似，但是人机角色对换，由人来判断猜测是大、小还是相等，请写出完整的猜数游戏。