Python知识点总结(二):位运算

tech2022-08-31  110

2.1原码、反码、补码

二进制有三种表示形式:原码、反码、补码。计算机内部使用补码来表示。

原码: 就是其二进制表示(最高位是符号位)

00 00 00 11 -> 3 10 00 00 11 -> -3

反码: 正数的反码就是原码,负数的反码是符号位不变,其余位取反(对应正数按位取反)

00 00 00 11 -> 3 11 11 11 00 -> -3

补码: 正数的补码就是原码,负数的补码是反码+1

00 00 00 11 -> 3 11 11 11 01 ->-3

符号位: 最高位为符号位,0表示正数,1表示负数。在位运算中符号位也参与运算。

2.2按位非操作~

~1 =0 ~0 =1

把num的补码中的0和1全部取反(0变为1,1变为0)有符号整数的符号位在运算中同样会取反。

00 00 01 01 ->5 ~ --- 11 11 10 10 ->-6 11 11 10 11 ->-5 ~ --- 00 00 01 00 ->4

2.3按位与操作&

1 & 1 = 1 1 & 0 = 0 0 & 1 = 0 0 & 0 = 0

只有两个对应位都为1时才为1

00 00 01 01 -> 5 & 00 00 01 10 -> 6 --- 00 00 01 00 -> 4

2.4按位或操作|

1 | 1 = 1 1 | 0 = 1 0 | 1 = 1 0 | 0 = 0

只要两个对应位中有一个1时就为1

00 00 01 01 ->5 | 00 00 01 10 -> 6 --- 00 00 01 11 -> 7

2.5 按位异或操作 ^

1 ^ 1 = 0 1 ^ 0 = 1 0 ^ 1 = 1 0 ^ 0 = 0

只有两个对应位不同时才为1

00 00 01 01 -> 5 ^ 00 00 01 10 -> 6 --- 00 00 00 11 -> 3

异或操作的性质:满足交换律和结合律

A: 00 00 11 00 B: 00 00 01 11 A ^ B: 00 00 10 11 B ^ A: 00 00 10 11 A ^ A: 00 00 00 00 A ^ 0: 00 00 11 00 A ^ B ^ A: = A ^ A ^ B = B = 00 00 01 11

2.6 按位左移操作 <<

num << i 将 num 的二进制表示向左移动 i 位所得的值

00 00 10 11 -> 11 11<<3 --- 01 01 10 00 ->88

2.7 按位右移操作 >>

num >> i 将 num 的二进制表示向右移动 i 位所得的值

00 00 10 11 -> 11 11 >> 2 --- 00 00 00 10 -> 2

2.8 利用位运算实现快速计算

通过 <<,>> 快速计算 2 的倍数问题。

通过 ^ 快速交换两个整数。n <<1 -> 计算 n * 2 n >> 1 -> 计算 n / 2, 负奇数的预算不可用 n <<m -> 计算 n * (2^m), 即乘以 2 的 m 次方 n >> m -> 计算 n / (2^m), 即除以 2 的 m 次方 1 << n -> 2^n a ^= b b ^= a a ^= b

通过 a & (-a) 快速获取 a 的最后为 1 位置的整数。

00 00 01 01 -> 5 & 11 11 10 11 -> -5 --- 00 00 00 01 -> 1 00 00 11 10 -> 14 & 11 11 00 10 -> -14 --- 00 00 00 10 -> 2

2.9 利用位运算符实现整数集合

一个数的二进制表示可以看作是一个集合(0表示不在集合中,1表示在集合中)。

比如集合{1,3,4,8},可以表示成 01 00 01 10 10而对应的位运算也就可以看作是对集合进行的操作。

元素与集合的操作:

a | (1 << i) -> 把 i 插入到集合中 a & ~(1<< i)-> 把 i 从集合中删除 a & (1<< i) -> 判断 i 是否属于该集合 (零不属于,非零属于)

a 补 -> ~a a 交 b -> a & b a 并 b -> a | b a 差 b -> a & (-b)

注意:整数在内存中是以补码的形式存在的,输出自然也是按照补码输出。

Python 的 bin() 输出:

print(bin(3)) # 0b11 print(bin(-3)) # -0b11 print(bin(-3 & 0xffffffff)) # 0b11111111111111111111111111111101 print(bin(0xfffffffd)) # 0b11111111111111111111111111111101 print(0xfffffffd) # 4294967293

此处存在颠覆认知的坑,由结果可以看出:

Python 中 bin 一个负数(十进制表示),输出的是它的原码的二进制表示加上个负号,巨坑。Python 中的整型是补码形式存储的。Python 中整型是不限制长度的不会超范围溢出

所以为了获得负数(十进制表示)的补码,需要手动将其和十六进制数 0xffffffff 进行按位与操作,再交给 bin() 进行输出,得到的才是负数的补码表示。

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