向NumPy数组追加元素时while循环无限运行问题排查

需求为接收用户输入的数字序列，计算均值后打印结果，以下是一种基于原生Python列表的实现方案：

user_input = input('Please enter a number type exit to stop:> ')
numbers = []
while user_input.lower() != 'exit':
    while not user_input.isdigit():
        print('That is not a number! Numbers only please:> ')
        user_input = input('Try again:> ')
    numbers.append(int(user_input))
    user_input = input('Please enter next number:> ')
total = 0
for number in numbers:
    total += number

print(f'Mean is {total/len(numbers)}')
print(sum(numbers)/len(numbers))

现需要对上述代码稍作修改，使用NumPy实现相同逻辑，具体实现思路如下：

• 采集用户输入的数字
• 将数字逐个存储到NumPy中，逐次向NumPy数组追加元素
• 调用np.ndarray.mean方法计算均值

存在问题的NumPy实现代码 #

import numpy as np
user_nums = np.array([])
user_input = input('Please enter a number type exit to stop:> ')
while user_input.lower() != 'exit':
    while not user_input.isdigit():
        print('That is not a number! Numbers only please:> ')
        user_input = input('Try again:> ')
    np.append(user_nums,float(user_input))  # append user input to user_nums

mean = user_nums.mean()
print("mean is ",mean)

问题现象：输入第一个数字后程序就持续运行无响应，只能强制关闭程序。

代码一共存在2个核心错误，其中第一个就是导致程序卡死无响应的直接原因：

1. 外层循环缺少输入更新逻辑，触发死循环
   对比原生Python实现可以发现，成功接收一个合法数字、存入存储结构后，原生代码会执行user_input = input('Please enter next number:> ')读取下一次用户输入，让循环判断条件有机会触发退出。但NumPy版本完全漏掉了这行代码，第一次输入合法数字后，user_input变量的值永远是这个数字，永远满足user_input.lower() != 'exit'的循环条件，外层循环会无限空转，程序表现为无响应。
2. NumPy数组追加方法使用错误
   和Python列表的list.append()原地修改列表的逻辑不同，np.append()不会修改原数组，而是返回元素追加完成后的新数组。现有代码只调用了np.append但没有把返回值重新赋值给user_nums，就算修复了死循环问题，user_nums始终是初始化时的空数组，最后调用均值方法时会得到无效的NaN结果。

import numpy as np
user_nums = np.array([])
user_input = input('Please enter a number type exit to stop:> ')
while user_input.lower() != 'exit':
    # 优化校验逻辑，支持识别负数、浮点数
    check_input = user_input.replace('.', '', 1).replace('-', '', 1)
    while not check_input.isdigit():
        print('That is not a number! Numbers only please:> ')
        user_input = input('Try again:> ')
        check_input = user_input.replace('.', '', 1).replace('-', '', 1)
    # 追加元素后重新赋值给原数组变量
    user_nums = np.append(user_nums, float(user_input))
    # 读取下一次输入，避免死循环
    user_input = input('Please enter next number:> ')

mean = user_nums.mean()
print("mean is ", mean)

注：逐次调用np.append的效率很低，因为NumPy数组每次长度变化都会重新申请整块内存拷贝所有元素，实际使用时更推荐先用Python列表收集所有输入，最后一次性转成NumPy数组计算均值，性能会好很多。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Philosophia