Python位运算符详解

男娘i 2023-10-07 22:43 40阅读 0赞

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Python 位运算按照数据在内存中的二进制位（Bit）进行操作，它一般用于底层开发（算法设计、驱动、图像处理、单片机等），在应用层开发（Web 开发、Linux 运维等）中并不常见。

Python 位运算符只能用来操作整数类型，它按照整数在内存中的二进制形式进行计算。Python 支持的位运算符如表 1 所示。

表 1 Python 位运算符一览表

### & 按位与运算符 ###

按位与运算符&的运算规则是：只有参与&运算的两个位都为 1 时，结果才为 1，否则为 0。例如1&1为 1，0&0为 0，1&0也为 0，这和逻辑运算符&&非常类似。

表 2 Python & 运算符的规则

<table style="table-layout:fixed;width:28px;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">第一个Bit位</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">第二个Bit位</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">结果</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

例如，9&5可以转换成如下的运算：

>  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 （9 在内存中的存储）  
> & 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 （5 在内存中的存储）  
> \-----------------------------------------------------------------------------------  
>  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0001 （1 在内存中的存储）

&运算符会对参与运算的两个整数的所有二进制位进行&运算，9&5的结果为 1。

又如，-9&5可以转换成如下的运算：

>  1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 （-9 在内存中的存储）  
> & 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 （5 在内存中的存储）  
> \-----------------------------------------------------------------------------------  
>  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 （5 在内存中的存储）

\-9&5的结果是 5。

再强调一遍，&运算符操作的是数据在内存中存储的原始二进制位，而不是数据本身的二进制形式；其他位运算符也一样。以-9&5为例，-9 的在内存中的存储和 -9 的二进制形式截然不同：

>  1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 （-9 在内存中的存储）  
> \-0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 （-9 的二进制形式，前面多余的0可以抹掉）

按位与运算通常用来对某些位清 0，或者保留某些位。例如要把 n 的高 16 位清 0 ，保留低 16 位，可以进行n & 0XFFFF运算（0XFFFF 在内存中的存储形式为 0000 0000 -- 0000 0000 -- 1111 1111 -- 1111 1111）。

使用 Python 代码对上面的分析进行验证：运行结果：

### | 按位或运算符 ###

按位或运算符|的运算规则是：两个二进制位有一个为 1 时，结果就为 1，两个都为 0 时结果才为 0。例如1|1为 1，0|0为0，1|0 为1，这和逻辑运算中的||非常类似。

表 3 Python | 运算符的规则

<table style="table-layout:fixed;width:28px;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">第一个Bit位</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">第二个Bit位</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">结果</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

例如，9 | 5可以转换成如下的运算：

>  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 （9 在内存中的存储）  
> | 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 （5 在内存中的存储）  
> \-----------------------------------------------------------------------------------  
>  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1101 （13 在内存中的存储）

9 | 5的结果为 13。

又如，-9 | 5可以转换成如下的运算：

>  1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 （-9 在内存中的存储）  
> | 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 （5 在内存中的存储）  
> \-----------------------------------------------------------------------------------  
>  1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 （-9 在内存中的存储）

\-9 | 5的结果是 -9。

按位或运算可以用来将某些位置 1，或者保留某些位。例如要把 n 的高 16 位置 1，保留低 16 位，可以进行n | 0XFFFF0000运算（0XFFFF0000 在内存中的存储形式为 1111 1111 -- 1111 1111 -- 0000 0000 -- 0000 0000）。

使用 Python 代码对上面的分析进行验证：

n = 0X2D
    print("%X"%(9|5))
    print("%X"%(-9|5))
    print("%X"%(n|0XFFFF0000))

运行结果：

\-9

FFFF002D

### ^按位异或运算符 ###

按位异或运算^的运算规则是：参与运算的两个二进制位不同时，结果为 1，相同时结果为 0。例如0^1为 1，0^0为 0，1^1为 0。

表 4 Python ^ 运算符的规则

<table style="table-layout:fixed;width:28px;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">第一个Bit位</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">第二个Bit位</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">结果</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">1</td> 
 <td style="width:246px;vertical-align:top;height:51px;">0</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

例如，9 ^ 5可以转换成如下的运算：

>  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 （9 在内存中的存储）  
> ^ 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 （5 在内存中的存储）  
> \-----------------------------------------------------------------------------------  
>  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1100 （12 在内存中的存储）

9 ^ 5的结果为 12。

又如，-9 ^ 5可以转换成如下的运算：

>  1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 （-9 在内存中的存储）  
> ^ 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 （5 在内存中的存储）  
> \-----------------------------------------------------------------------------------  
>  1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0010 （-14 在内存中的存储）

\-9 ^ 5的结果是 -14。

按位异或运算可以用来将某些二进制位反转。例如要把 n 的高 16 位反转，保留低 16 位，可以进行n ^ 0XFFFF0000运算（0XFFFF0000 在内存中的存储形式为 1111 1111 -- 1111 1111 -- 0000 0000 -- 0000 0000）。

使用 Python 代码对上面的分析进行验证：

n = 0X0A07002D
    print("%X"%(9^5))
    print("%X"%(-9^5))
    print("%X"%(n^0XFFFF0000))

运行结果：

\-E

F5F8002D

### ~按位取反运算符 ###

按位取反运算符~为单目运算符（只有一个操作数），右结合性，作用是对参与运算的二进制位取反。例如~1为0，~0为1，这和逻辑运算中的!非常类似。

例如，~9可以转换为如下的运算：

> ~ 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 （9 在内存中的存储）  
> \-----------------------------------------------------------------------------------  
>  1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0110 （-10 在内存中的存储）

所以~9的结果为 -10。

例如，~-9可以转换为如下的运算：

> ~ 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 （-9 在内存中的存储）  
> \-----------------------------------------------------------------------------------  
>  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1000 （8 在内存中的存储）

所以~-9的结果为 8。

使用 Python 代码对上面的分析进行验证：运行结果：

\-A

### <<左移运算符 ###

Python 左移运算符<<用来把操作数的各个二进制位全部左移若干位，高位丢弃，低位补 0。

例如，9<<3可以转换为如下的运算：

> << 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 （9 在内存中的存储） 
> \----------------------------------------------------------------------------------- 
> 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0100 1000 （72 在内存中的存储）

所以9<<3的结果为 72。

又如，(-9)<<3可以转换为如下的运算：

> << 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 （-9 在内存中的存储） 
> \----------------------------------------------------------------------------------- 
> 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1011 1000 （-72 在内存中的存储）

所以(-9)<<3的结果为 -72

如果数据较小，被丢弃的高位不包含 1，那么左移 n 位相当于乘以 2 的 n 次方。

使用 Python 代码对上面的分析进行验证：

> **print**("%X"%(9<<3)) 
> **print**("%X"%((-9)<<3))

运行结果：

\-48

### >>右移运算符 ###

Python 右移运算符>>用来把操作数的各个二进制位全部右移若干位，低位丢弃，高位补 0 或 1。如果数据的最高位是 0，那么就补 0；如果最高位是 1，那么就补 1。

例如，9>>3可以转换为如下的运算：

> >> 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 （9 在内存中的存储）  
> \-----------------------------------------------------------------------------------  
>  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0001 （1 在内存中的存储）

所以9>>3的结果为 1。

又如，(-9)>>3可以转换为如下的运算：

> >> 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 （-9 在内存中的存储）  
> \-----------------------------------------------------------------------------------  
>  1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1110 （-2 在内存中的存储）

所以(-9)>>3的结果为 -2

如果被丢弃的低位不包含 1，那么右移 n 位相当于除以 2 的 n 次方（但被移除的位中经常会包含 1）。

使用 Python 代码对上面的分析进行验证：

> **print**("%X"%(9>>3))  
> **print**("%X"%((-9)>>3))

运行结果：

\-2

[4505059c3c53f3f5a2883f078956ca66.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/4505059c3c53f3f5a2883f078956ca66.png