超详解——深入明白Python中的位运算与常用内置函数/模块——底子篇
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1.位运算
2.常用内置函数/模块
math模块
random模块
decimal模块
常用内置函数
3.深入明白和应用
位运算的实际应用
1.权限管理
2.位图
3.图像处理
2.math模块的高级应用
统计计算
几何计算
总结
1.位运算
位运算是对整数在内存中的二进制表示进行操作的一种方法。在计算机中，数据是以二进制形式存储的，位运算可以直接操作这些二进制位，从而实现高效的数据处理。Python支持以下常见的位运算符：
[*]按位与（&）：两个二进制数对应位都为1时，效果的该位才为1。
[*]按位或（|）：两个二进制数对应位有一个为1，效果的该位就为1。
[*]按位异或（^）：两个二进制数对应位差别，效果的该位为1。
[*]按位取反（~）：将二进制数的每一位取反（0变1，1变0）。
[*]左移（<<）：将二进制数的全部位向左移动指定的位数，右侧补0。
[*]右移（>>）：将二进制数的全部位向右移动指定的位数，左侧补0（对于无符号数）或补符号位（对于有符号数）。 a = 60# 二进制：0011 1100
b = 13# 二进制：0000 1101
# 按位与
result = a & b# 结果：0000 1100 (12)
print(result)# 输出：12
# 按位或
result = a | b# 结果：0011 1101 (61)
print(result)# 输出：61
# 按位异或
result = a ^ b# 结果：0011 0001 (49)
print(result)# 输出：49
# 按位取反
result = ~a# 结果：1100 0011 (-61)，在Python中，负数用补码表示
print(result)# 输出：-61
# 左移
result = a << 2# 结果：1111 0000 (240)
print(result)# 输出：240
# 右移
result = a >> 2# 结果：0000 1111 (15)
print(result)# 输出：15
[*] 1.按位与（&）
[*]例子：a & b，即 60 & 13
[*]二进制表示：
[*]60：0011 1100
[*]13：0000 1101
[*]效果：0000 1100，即12
[*] 2.按位或（|）
[*]例子：a | b，即 60 | 13
[*]二进制表示：
[*]60：0011 1100
[*]13：0000 1101
[*]效果：0011 1101，即61
[*] 3.按位异或（^）
[*]例子：a ^ b，即 60 ^ 13
[*]二进制表示：
[*]60：0011 1100
[*]13：0000 1101
[*]效果：0011 0001，即49
[*] 4.按位取反（~）
[*]例子：~a，即 ~60
[*]二进制表示：
[*]60：0011 1100
[*]~60：1100 0011（补码表示）
[*]效果：-61（Python使用补码表示负数）
[*] 5.左移（<<）
[*]例子：a << 2，即 60 << 2
[*]二进制表示：
[*]60：0011 1100
[*]左移2位：1111 0000
[*]效果：240
[*] 6.右移（>>）
[*]例子：a >> 2，即 60 >> 2
[*]二进制表示：
[*]60：0011 1100
[*]右移2位：0000 1111
[*]效果：15
2.常用内置函数/模块
Python提供了丰富的内置函数和模块，方便进行各种计算和操作。以下是一些常用的内置函数和模块：
math模块
math模块提供了许多数学函数，如平方根、对数、三角函数等。
import math
print(math.sqrt(16))# 4.0，计算平方根
print(math.log(8, 2))# 3.0，以2为底的对数
print(math.sin(math.pi / 2))# 1.0，计算正弦值
random模块
random模块用于生成随机数。
import random
print(random.randint(1, 10))# 生成1到10之间的随机整数
print(random.random())# 生成0到1之间的随机浮点数
print(random.choice(['a', 'b', 'c']))# 从列表中随机选择一个元素
decimal模块
decimal模块提供对十进制浮点数的准确计算。
from decimal import Decimal
a = Decimal('0.1')
b = Decimal('0.2')
c = a + b
print(c)# 0.3，精确的十进制计算
常用内置函数
Python的内置函数简化了许多基本操作，比方计算绝对值、最大值、最小值、和等。
print(abs(-5))# 5，计算绝对值
print(max(1, 2, 3))# 3，返回最大值
print(min(1, 2, 3))# 1，返回最小值
print(sum())# 6，计算和
3.深入明白和应用
通过上面的例子，我们相识了Python中位运算的基本用法和一些常用内置函数/模块的使用。接下来，我们可以深入探讨一些应用场景和实际问题，进一步巩固这些知识。
位运算的实际应用
1.权限管理
[*]在系统权限管理中，经常使用位运算来表示和查抄权限。每个权限可以用一个二进制位表示，多个权限可以通过按位或（|）组合在一起。 READ = 0b0001
WRITE = 0b0010
EXECUTE = 0b0100
permission = READ | WRITE
def has_permission(perm, check):
return perm & check == check
print(has_permission(permission, READ))# True
print(has_permission(permission, EXECUTE))# False
2.位图
位图（bitmap）是一种使用位来表示集合的数据布局，常用于高效的集合运算和压缩存储。
bitmap = 0
def add_to_bitmap(bitmap, value):
return bitmap | (1 << value)
def check_bitmap(bitmap, value):
return bitmap & (1 << value) != 0
bitmap = add_to_bitmap(bitmap, 3)
bitmap = add_to_bitmap(bitmap, 5)
print(check_bitmap(bitmap, 3))# True
print(check_bitmap(bitmap, 4))# False
3.图像处理
[*]位运算在图像处理中的应用也非常广泛，比方图像的掩膜操作、颜色通道的分离和合并等。 def apply_mask(value, mask):
return value & mask
def combine_channels(r, g, b):
return (r << 16) | (g << 8) | b
mask = 0xFF
value = 0x123456
masked_value = apply_mask(value, mask)
print(hex(masked_value))# 0x56
r = 0x12
g = 0x34
b = 0x56
combined_value = combine_channels(r, g, b)
print(hex(combined_value))# 0x123456
2.math模块的高级应用
[*] 统计计算
[*]使用math模块可以进行一些基本的统计计算，比方平均值、标准差等。 import math
data =
def mean(data):
return sum(data) / len(data)
def variance(data):
m = mean(data)
return sum((x - m) ** 2 for x in data) / len(data)
def std_dev(data):
return math.sqrt(variance(data))
print(mean(data))# 5.0
print(std_dev(data))# 2.0
几何计算
[*]math模块中的三角函数可以用于几何计算，比方计算三角形的面积、圆的周长和面积等。 import math
def triangle_area(a, b, c):
s = (a + b + c) / 2
return math.sqrt(s * (s - a) * (s - b) * (s - c))
def circle_area(radius):
return math.pi * radius ** 2
def circle_circumference(radius):
return 2 * math.pi * radius
print(triangle_area(3, 4, 5))# 6.0
print(circle_area(3))# 28.274333882308138
print(circle_circumference(3))# 18.84955592153876
总结
Python在处理低级别二进制操作和高级别数学计算上的强大功能。位运算提供了高效的数据处理本领，尤其在权限管理、位图处理和图像处理等范畴具有告急应用。而内置的数学和随机数函数则为科学计算、数据分析等范畴提供了强大的支持。
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