Python 編程．圖表

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實例1(上)：猜數字遊戲！Colab 例子談編程設計和處理異常

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在上一篇 local vs global 函數的教學裡，我們透過 Python 版本的「猜數字遊戲」介紹如何使用 global 這個 Python 的關鍵字。

除了 global 以外，在這個猜數字遊戲裡其實有更多的 Python 重點。

以下我們一起透過逐步建立這個猜數字遊戲的編程，淺談一些編程設計和處理異常的方法吧！

學習大綱

我們堅信學習編程的最好方法，就是學習如何逐步思考、設計和執行一個問題。在這個猜數字遊戲裡，我們希望重點介紹一下幾點：

分析問題：如何設計編程
實質編程：製做 MVP
處理異常：減低程式出錯機會
改良程式：簡化架構（在下一篇教學）

分析問題：如何設計編程

所有編程的起點都是從分析問題開始。我們先回顧一下這個猜數字遊戲的描述：

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我們先隨機從 1 到 100 選一個數字（假設這個數字是 75）。我先告訴您這個數字是 1 至 100 中間。如果您猜的是 70（少於答案），我再告訴您這個數字在 70 至 100 中間，如此類推，直至您猜中數字。

當我們看這個描述時，留意以下這些重點：

題目字眼	編程要點
隨機選一個數字	透過 Python 的 library 在一個指定的數字範圍裡生成隨機數字
如果您猜的是 70	使用 `<` `>` `=` 等的邏輯運算（logical operators）比較以下的數字： (1) 用家提供的數字（70） (2) 答案（75） (3) 現在的範圍（0 至 100）
我再告訴您這個數字在 70 至 100 中間	以用家提供的數字更新現在的範圍
如此類推	使用循環（loop）以不斷要求用家提供數字
直至您猜中數字	完結循環（loop）的條件時猜中數字

透過把我們原本的問題切割成不同的字眼，並連結成編程要點，我們便可以將問題逐一破解了！這就是所謂的分而治之（divide-and-conquer）。

偽代碼（pseudo-code）

要完成設計編程，我們可以把以上的編程要點製成偽代碼（pseudo-code），讓我們可以按著這個架構作基礎開始編程：

#  匯入 library
## 生成隨機數字的 library

#  定義常數（constant）及函數（variable）
## 範圍（1 至 100）
## 隨機生成答案（70）

#  定義循環（loop）
while True:
  # 要求用家提供一個數字（例如 70）

  #  比較用家提供的數字及範圍與答案
  ## 如果 提供的數字 等於 答案 -> 告訴玩家成功了，並離開循環
  ## 如果 提供的數字 小於 答案 -> 將範圍的底設為提供的數字（ 0 至 100 修改成 70 至 100）
  ## 如果 提供的數字 大於 答案 -> 將範圍的底設為提供的數字（ 0 至 100 修改成 0 至 70）

在這個偽代碼的例子裡，我們使用編程注解（comments）代替我們將會輸入的實際 Python 代碼。這是為了像填色本一樣，先有了編程輪廓，慢慢填入 Python 代碼。

在輪廓裡，我們把編程分成數個分部（例如「匯入 library」、「定義循環」），提醒我們有哪些必須的編程元素。

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我們亦應該提供我們預期的輸出（expected output）。譬如我們使用「如果小於 -> 結果」的字句，總結我們不同情況下的輸出。

有了這個輪廓，我們便可以開始 Python 編程了！

實質編程：製做 MVP

有了我們偽代碼（pseudo-code），我們便可以開死編寫一個編程 MVP。

MVP 這裡不是指 Most Valuable Player（最有價值球員），而是一個 agile 架構裡的概念：Minimum Viable Product（最簡可行產品）。

如果要非常粗略地定義 MVP，就是建立一個「半桶水」的方案。我們暫時不管用戶體驗、異常處理、最佳化表現等的問題，只放眼達成最基本、簡單的目的。

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在我們的例子，就是直接簡單地把偽代碼（文字）轉變成 Python 編程，不加任何其他的元素。

#  匯入 library
import random

#  定義常數（constant）及函數（variable）
min_x = 0
max_x = 100
answer = random.randint(min_x,max_x)

#  定義循環（loop）
while True:
  guess = int(input('請從 ' + str(min_x) + ' 到 ' + str(max_x) + ' 猜一個數字：'))

  #  比較用家提供的數字及範圍與答案
  if guess == answer:
    print('恭喜您猜對了！答案是 ' + str(answer))
    break
  elif guess < answer:
    min_x = guess
  elif guess > answer:
    max_x = guess

在以上編程，我們直接把偽代碼的「##」注解轉為 Python 的代碼。留意我們沒有加入任何其他元素，亦沒有考慮任何編程設計的最佳化（optimization），只是純粹製造出 MVP。

總括而言，這個階段您不應該多想（overthink），只需要把最基本的要求達成。

處理異常：減低程式出錯機會

有了我們的 MVP，我們下一個要處理的問題便是用家體驗。

在編程裡，我們應該假設用家是一個零經驗，完全不懂該怎操作編程的人。特別是一些要求用家提供資料的編程（例如我們要求玩家猜數字），我們不能假設用家只會提供合乎邏輯的資料。

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比方說，我們要求用家提供電郵地址時，不能假設用家總會提供「[email protected]」格式。用家可能會提供「A@gmail.」、「1234」等不是電郵地址的輸入。

在我們的猜數字遊戲，我們可以預計用家會「犯下」以下的輸入錯誤：

用家輸入的不是數字（例如「abc」）
用家輸入超出範圍的數字（例如在 0 至 100 的時候猜 120）

我們逐個問題處理吧！

用家輸入的不是數字

min_x = 0
max_x = 100
answer = 75
guess = int(input('請從 ' + str(min_x) + ' 到 ' + str(max_x) + ' 猜一個數字：'))

if guess == answer:
    print('恭喜您猜對了！答案是 ' + str(answer))
elif guess < answer:
    min_x = guess
elif guess > answer:
    max_x = guess

從以上抽出來的編程部分可見，如果我們輸入的是「abc」，Python 會出現異常。這是因為我們使用 int() 功能將用家提供的數字轉換成整數（integer）時，如果用家提供的是文字（string），Python 便不能轉換成整數。

所以，一個簡單的方法便是先檢查用家的 input() 是否正整數（positive integer），然後再把數字轉換成整數數據（int type）。

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min_x = 0
max_x = 100
answer = 75
guess = input('請從 ' + str(min_x) + ' 到 ' + str(max_x) + ' 猜一個數字：')

# 先檢查 guess 是否正整數
if guess.isnumeric():
  print(guess + ' 是整數')
  guess = int(guess)
else:
  print(guess +' 不是整數')

if guess == answer:
    print('恭喜您猜對了！答案是 ' + str(answer))
elif guess < answer:
    min_x = guess
elif guess > answer:
    max_x = guess

以上使用 guess.isnumeric() 可以讓我們檢查用家提供的資料是否正整數，而我們在 guess.isnumeric() 是真（True）值時才將 guess 轉為整數，便不會出現異常。

問題出現了：當我們只是使用 if 來決定資料是否正確時，如果 guess 不是正整數，根據我們的編程順序，我們不會把資料轉換成正整數，以致以上例子中，出現「TypeError: ‘<‘ not supported between instances of ‘str’ and ‘int’」的錯誤。這是因為 Python 不能告訴您「abc」還是 0 較小。

min_x = 0
max_x = 100
answer = 75

# 先檢查 guess 是否正整數，如果不是，要求用家重新輸入正整數，直到 guess 是一個正整數
while True:
  guess = input('請從 ' + str(min_x) + ' 到 ' + str(max_x) + ' 猜一個數字：')
  if guess.isnumeric():
    guess = int(guess)
    break

if guess == answer:
    print('恭喜您猜對了！答案是 ' + str(answer))
elif guess < answer:
    min_x = guess
elif guess > answer:
    max_x = guess

所以，這裡我們的解決方法便是重複要求用家輸入資料，直到資料可以被轉換成一個正整數。

以上的例子裡，我們使用一個 while True 循環，並指明程式只有 guess.isnumeric() 是真（True）時，才將 guess 轉為整數類型，並結束這一個循環。

如果您在 Google Colab 嘗試運行這段代碼，您會發現不論您輸入甚麼文字、小數點，只有您輸入正整數時程式才會停止要求您輸入資料。

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用家輸入超出範圍的數字

另一個可能性是如果用家在我們希望他輸入 0 至 100 的數字時，輸入了 120，在原本的設計裡，我們會在下一個循環（iteration）要求用家輸入 0 至 120 的數字。

這是不正確的資料，因為假如用家不斷地輸入比最大值（upper bound）更高的數字，那麼這個遊戲可不能結束。

而歸根結底，這是因為我們在 MVP 時，更新 min_x 和 max_x 的段落沒有限制 guess 的值，以致用家提供出了範圍（out of bound）的數字時，我們也會更新 min_x 和 max_x。

min_x = 0
max_x = 100
answer = 75
guess = int(input('請從 ' + str(min_x) + ' 到 ' + str(max_x) + ' 猜一個數字：'))

if guess == answer:
    print('恭喜您猜對了！答案是 ' + str(answer))
elif guess < answer:
    min_x = guess
elif guess > answer:
    max_x = guess

guess = int(input('請從 ' + str(min_x) + ' 到 ' + str(max_x) + ' 猜一個數字：'))

解決這個問題相對簡單：我們只需要在更新 min_x 和 max_x 的條件裡進一步限制 guess 的數值，便可以避免這個問題。

min_x = 0
max_x = 100
answer = 75
guess = int(input('請從 ' + str(min_x) + ' 到 ' + str(max_x) + ' 猜一個數字：'))

if guess == answer:
    print('恭喜您猜對了！答案是 ' + str(answer))
# 限制 min_x，max_x 和 guess 的關係
elif (guess < answer) and (min_x < guess):
    min_x = guess
elif (guess > answer) and (max_x > guess):
    max_x = guess

guess = int(input('請從 ' + str(min_x) + ' 到 ' + str(max_x) + ' 猜一個數字：'))

我們在更新 max_x 時，要求 guess 必須大於 max_x，否則我們便不會更新 max_x（例如本來的 max_x 是 100，guess 是 120，我們的 max_x 會保持在 100）。min_x 也是類似的邏輯。

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這樣，我們便能確保用家不會在輸入錯誤的資料時，遊戲變得更加不利。

異常處理：總結

#  匯入 library
import random

#  定義常數（constant）及函數（variable）
min_x = 0
max_x = 100
answer = random.randint(min_x,max_x)

#  定義循環（loop）
while True:
  # 先檢查 guess 是否正整數，如果不是，要求用家重新輸入正整數，直到 guess 是一個正整數
  while True:
    guess = input('請從 ' + str(min_x) + ' 到 ' + str(max_x) + ' 猜一個數字：')
    if guess.isnumeric():
      guess = int(guess)
      break
  
  #  比較用家提供的數字及範圍與答案
  if guess == answer:
    print('恭喜您猜對了！答案是 ' + str(answer))
    break
  # 限制 min_x，max_x 和 guess 的關係
  elif (guess < answer) and (min_x < guess):
    min_x = guess
  elif (guess > answer) and (max_x > guess):
    max_x = guess

經過以上的修改後，我們結合了異常處理的方法。我們的編程現在比 MVP 長了些，但我們已經能夠處理很大部分的用戶輸入問題。

教學完整代碼

最後送給大家這篇教學的 Google Colab 完整代碼。如果您不懂得使用免安裝又好用的 Google Colab Notebook，記得閱讀這篇教學了：新手 1/3：5 分鐘免安裝學習 Python？Google Colab Notebook 幫緊您！

總結

在這編教學裡，我們介紹了如何從構思問題開始，一步步去編寫 Python 程式，達至 MVP 的效果。我們亦延伸到異常處理，令我們的程式能夠變得更可靠，不用擔心用戶的輸入不對。

下一篇，我們會介紹「改良程式：簡化架構」的步驟，作為一個小編程企劃裡的最後一步。敬請留意！

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下一篇教學：實例1(下)：猜數字遊戲！Colab 例子談改良程式和簡化架構

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