在編程中，循環結構是控制程序流程的重要工具之一。Python提供了多種循環結構，如for循環和while循環。當我們需要在循環內部再嵌套一個或多個循環時，就形成了嵌套循環。嵌套循環在處理多維數據、矩陣運算、圖形繪制等場景中非常有用。本文將詳細介紹Python中嵌套循環的使用方法、應用場景、優化技巧以及常見問題。
嵌套循環是指在一個循環體內再包含另一個或多個循環體。外層循環每執行一次，內層循環就會完整地執行一遍。嵌套循環的層數可以根據需要增加，但通常不建議嵌套過多層，以免影響代碼的可讀性和性能。
for循環嵌套for i in range(3):
for j in range(2):
print(f"i={i}, j={j}")
輸出結果：
i=0, j=0
i=0, j=1
i=1, j=0
i=1, j=1
i=2, j=0
i=2, j=1
while循環嵌套i = 0
while i < 3:
j = 0
while j < 2:
print(f"i={i}, j={j}")
j += 1
i += 1
輸出結果與for循環嵌套相同。
for i in range(3):
j = 0
while j < 2:
print(f"i={i}, j={j}")
j += 1
輸出結果與上述相同。
在處理矩陣時，嵌套循環可以用來遍歷矩陣的每一個元素。例如，計算兩個矩陣的乘積：
A = [[1, 2], [3, 4]]
B = [[5, 6], [7, 8]]
result = [[0, 0], [0, 0]]
for i in range(len(A)):
for j in range(len(B[0])):
for k in range(len(B)):
result[i][j] += A[i][k] * B[k][j]
print(result)
輸出結果：
[[19, 22], [43, 50]]
嵌套循環可以用來繪制各種圖形，如矩形、三角形等。例如，繪制一個5x5的矩形：
for i in range(5):
for j in range(5):
print("*", end=" ")
print()
輸出結果：
* * * * *
* * * * *
* * * * *
* * * * *
* * * * *
在處理多維數據時，嵌套循環可以用來篩選符合條件的數據。例如，篩選出一個列表中所有大于10的元素：
data = [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9], [10, 11, 12]]
result = []
for sublist in data:
for item in sublist:
if item > 10:
result.append(item)
print(result)
輸出結果：
[11, 12]
嵌套循環可以用來生成各種組合。例如，生成兩個列表的所有組合：
list1 = ['a', 'b', 'c']
list2 = [1, 2, 3]
for item1 in list1:
for item2 in list2:
print(f"({item1}, {item2})")
輸出結果：
(a, 1)
(a, 2)
(a, 3)
(b, 1)
(b, 2)
(b, 3)
(c, 1)
(c, 2)
(c, 3)
在嵌套循環中，盡量減少內層循環的次數可以有效提高性能。例如，在矩陣乘法中，可以通過改變循環順序來減少緩存未命中的次數：
A = [[1, 2], [3, 4]]
B = [[5, 6], [7, 8]]
result = [[0, 0], [0, 0]]
for i in range(len(A)):
for k in range(len(B)):
for j in range(len(B[0])):
result[i][j] += A[i][k] * B[k][j]
print(result)
在某些情況下，可以使用列表推導式來替代嵌套循環，使代碼更簡潔。例如，生成一個5x5的矩陣：
matrix = [[i * j for j in range(5)] for i in range(5)]
print(matrix)
輸出結果：
[[0, 0, 0, 0, 0], [0, 1, 2, 3, 4], [0, 2, 4, 6, 8], [0, 3, 6, 9, 12], [0, 4, 8, 12, 16]]
itertools模塊itertools模塊提供了一些高效的迭代器工具，可以用來替代嵌套循環。例如，生成兩個列表的所有組合：
import itertools
list1 = ['a', 'b', 'c']
list2 = [1, 2, 3]
for item in itertools.product(list1, list2):
print(item)
輸出結果：
('a', 1)
('a', 2)
('a', 3)
('b', 1)
('b', 2)
('b', 3)
('c', 1)
('c', 2)
('c', 3)
嵌套循環的時間復雜度通常較高，尤其是在處理大規模數據時，可能會導致程序運行緩慢。因此，在使用嵌套循環時，應盡量優化算法，減少循環次數。
嵌套循環過多會導致代碼結構復雜，降低代碼的可讀性。因此，在編寫嵌套循環時，應盡量保持代碼簡潔，必要時可以使用函數或模塊來封裝復雜的邏輯。
在使用while循環嵌套時，如果循環條件設置不當，可能會導致無限循環。例如：
i = 0
while i < 3:
j = 0
while j < 2:
print(f"i={i}, j={j}")
# j += 1 # 忘記增加j的值
i += 1
上述代碼中，內層循環的j沒有增加，導致內層循環無法退出，從而形成無限循環。
使用嵌套循環生成九九乘法表：
for i in range(1, 10):
for j in range(1, i + 1):
print(f"{j}*{i}={i*j}", end="\t")
print()
輸出結果：
1*1=1
1*2=2 2*2=4
1*3=3 2*3=6 3*3=9
1*4=4 2*4=8 3*4=12 4*4=16
1*5=5 2*5=10 3*5=15 4*5=20 5*5=25
1*6=6 2*6=12 3*6=18 4*6=24 5*6=30 6*6=36
1*7=7 2*7=14 3*7=21 4*7=28 5*7=35 6*7=42 7*7=49
1*8=8 2*8=16 3*8=24 4*8=32 5*8=40 6*8=48 7*8=56 8*8=64
1*9=9 2*9=18 3*9=27 4*9=36 5*9=45 6*9=54 7*9=63 8*9=72 9*9=81
使用嵌套循環尋找100以內的素數：
for num in range(2, 100):
is_prime = True
for i in range(2, int(num ** 0.5) + 1):
if num % i == 0:
is_prime = False
break
if is_prime:
print(num, end=" ")
輸出結果：
2 3 5 7 11 13 17 19 23 29 31 37 41 43 47 53 59 61 67 71 73 79 83 89 97
使用嵌套循環打印一個菱形：
n = 5
for i in range(n):
print(" " * (n - i - 1) + "*" * (2 * i + 1))
for i in range(n - 2, -1, -1):
print(" " * (n - i - 1) + "*" * (2 * i + 1))
輸出結果：
*
***
*****
*******
*********
*******
*****
***
*
嵌套循環是Python編程中非常強大的工具，能夠處理多維數據、矩陣運算、圖形繪制等復雜任務。然而，嵌套循環也容易導致性能問題和代碼可讀性問題，因此在使用時需要謹慎。通過優化算法、使用列表推導式、itertools模塊等方法，可以有效提高嵌套循環的效率和可讀性。希望本文的介紹能夠幫助讀者更好地理解和應用Python中的嵌套循環。
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