Python位運算子詳解

位運算子通常在圖形、影象處理和建立裝置驅動等底層開發中使用。使用位運算子可以直接運算元值的原始 bit 位，尤其是在使用自定義的協議進行通訊時，使用位運算子對原始資料進行編碼和解碼也非常有效。

位運算子對於初學者來說有些難度，因此初學者可先跳過本節內容。

python 支援的位運算子有如下 6 個：

位運算子的運算法則如表 1 所示：

表 1 位運算子的運算法則

第乙個運算元

第二個運算元

按位與按位或

按位異或00

0000

1011

1001

1111

10按位非只需要乙個運算元，這個運算子將把運算元在計算機底層的二進位製碼按位取反。如下**測試了按位與和按位或的執行結果：

# 將輸出1  print(5 & 9)  # 將輸出13  print(5 | 9)

程式執行的結果是：5&9 的結果是 1，5|9 的結果是 13。下面介紹運算過程。

5 的二進位製碼是 00000101（省略了前面的 24 個 0），而 9 的二進位製碼是 00001001（省略了前面的 24 個 0）。運算過程如圖 2 所示：

圖 2 按位與和按位或的運算過程

下面是按位取反和按位異或的執行**：

a = -5  # 將輸出4  print( ~a)  # 將輸出12  print(5 ^ 9)

程式執行 ~-5 的結果是 4，執行 5^9 的結果是 12。下面通過圖 3 來介紹 ~-5 的運算過程：

圖 3 ~-5的運算過程（點此檢視高畫質大圖）

上面的運算過程涉及與計算機儲存相關的內容。首先我們要明白：所有數值在計算機底層都是以二進位制形式存在的，原碼是直接將乙個數值換算成二進位制數。有符號整數的最高位是符號位，符號位為 0 代表正數，符號位為 1 代表負數。無符號整數則沒有符號位，因此無符號整數只能表示 0 和正數。

為了方便計算，計算機底層以補碼的形式儲存所有的整數。補碼的計算規則是：正數的補碼和原碼完全相同，負數的補碼是其反碼 +1；反碼是對原碼按位取反，只是最高位（符號位）保持不變。

5 ^ 9 進行的是異或運算，運算過程如圖 4 所示。

圖 4 5 ^ 9 的運算過程

左移運算子是將運算元的二進位製碼整體左移指定位數，左移後右邊空出來的位以 0 來填充。例如如下**：

# 輸出20  print(5 << 2)  # 輸出-20  print(-5 << 2)

圖 5 示範了 -5 左移兩位的運算過程。

圖 5 -5 左移兩位的運算過程

在圖 5 中，上面的 32 位數是 -5 的補碼，左移兩位後得到乙個二進位制補碼，這個二進位制補碼的最高位是 1，表明是乙個負數，換算成十進位制數就是 -20。

python 的右移運算子為：>>。對於「>>」運算子而言，把第乙個運算元的二進位製碼右移指定位數後，左邊空出來的位以原來的符號位來填充。即如果第乙個運算元原來是正數，則左邊補 0；如果第乙個運算元是負數，則左邊補 1。

請看下面**：

b = -5  # 輸出-2  print(b >> 2)

圖 6 給出了-5 >> 2 的運算過程。

圖 6 -5>>2 的運算過程

從圖 6 來看，-5 右移兩位後左邊空出兩位，空出來的兩位以符號位來填充。從圖 6 可以看出，右移運算後得到的結果的正負與第乙個運算元的正負相同。右移後的結果依然是乙個負數，這是乙個二進位制補碼，換算成十進位制數就是 -2。

必須指出的是，位移運算子只適合對整型數進行運算。

在進行位移運算時，不難發現，左移 n 位就相當於來以 2 的 n 次方，右移 n 位則相當於除以 2 的 n 次方（如果不能整除，實際返回的結果是小於除得結果數值的最大整數的）。不僅如此，進行位移運算只是得到了乙個新的運算結果，而原來的運算元本身是不會改變的。