高效實用的Python位運算符——bitwise_not詳解

Python作為一種簡單易學的高級編程語言，因其強大的程序庫和可讀性出眾的語法受到眾多程序員們的喜愛。在Python中，位運算符是一種十分常見且得到廣泛使用的運算符，而其中又以bitwise_not運算符脫穎而出。在本篇文章中，我們將從多個方面對Python中的bitwise_not運算符進行詳細的闡述，幫助讀者更好地理解和運用該位運算符。

一、基本概念

在Python中，位運算符是一種十分重要的運算符，它們能夠在數字的二進制形式下運算，相對於普通的算術運算符而言可以節省計算時間。Python中一共有6種位運算符，分別是：位取反（NOT）、按位與（AND）、按位或（OR）、按位異或（XOR）、左移（LEFT SHIFT）和右移（RIGHT SHIFT）。其中，bitwise_not運算符對應了位取反（NOT）運算，即將二進制數字中的0，1進行反轉處理。


# python中運用bitwise_not運算符進行位取反操作的示例代碼
a = 10 # 十進制數10的二進制表示為1010
b = ~a # 對10進行位取反，即1010變成0101，結果為-11（補碼錶示）
print(b)

在上述代碼中，我們先定義了一個十進制數10，並將其轉換成了二進制數1010。隨後，運用Python中的位取反（~）運算符對其進行了處理，得到了二進制數0101，最後輸出結果為-11（補碼錶示）。

二、使用方法

位取反運算符的運用是極其方便的，我們僅需要通過「~」符號即可實現相應的操作。對於二進制數而言，進行位取反操作即將二進制中所有的0變為1，所有的1變為0。當使用Python內置的bin()函數將這些數字進行輸出時，我們可以看到取反操作所得到的二進制數。


# python中使用bin()函數輸出位取反（~）運算符的結果
a = 10 # 十進制數10的二進制表示為1010
b = ~a # 對10進行位取反，即1010變成0101
print("a的二進制形式為：",bin(a)) # a的二進制形式為：0b1010
print("b的二進制形式為：",bin(b)) # b的二進制形式為：-0b1011

在上述代碼中，我們運用Python內置的bin()函數將變量a和變量b的值進行了二進制輸出，以此來展示取反操作的效果。運行以上代碼得到的結果是，變量a的二進制形式為1010，而變量b的二進制形式卻是-0b1011，這是由於Python中使用二進制補碼錶示法來表示和存儲數字，符號位（即首位1）代表負數，因此我們需要注意取反操作所得到的結果是補碼形式表示的數字，而不是原始的二進制數。

三、實用場景

位取反運算符在Python中有着廣泛的應用場景，以下是其中一部分：

1. 使用位取反運算符後，將十進制數字轉換為負數

在Python中，我們能夠通過位運算符快速地將十進制數字轉換為負數。具體操作方法為：首先將數字取反，接着將結果加1，最後前加上「-」號即可得到相應的負數形式。


# 將十進制數10轉化為負數的實現方法
# 參考鏈接：https://www.cnblogs.com/zhangziqiu/archive/2011/03/30/computercode.html
a = 10
print(~a)  # -11
print(bin(a))                   #   1010 
print(bin(~a))                  # - 1011 = complement of 1010 + 1 => 0101+1 = 0110 =>  -0b110(二進制補碼錶達)
print(-(a+1))                   # -11 (二進制補碼錶達式的十進制數)

在上述代碼中，我們通過~運算符將十進制數10的二進制形式的0和1進行了位取反操作，得到了0101，再加1，即得到了0110。最後通過在結果前加「-」號的操作，我們就可以得到十進制數-11.

2. 位取反運算符實現對缺失位的補全

對於二進制數而言，在其中插入「0」之後，是一種非常重要的操作。然而，由於二進制數的長度可以發生變化，因此有時候我們需要通過將數值取反，來進行位數補足的操作。具體的實現方法是先將數字進行取反操作，接着通過Python內置的位運算符與（&）來進行掩碼的操作，去除前缺失的部分，並將結果再進行一次取反操作.


# 補足二進制數缺少的0位
num = 16 # 要補足的二進制數，即'10000'
mask = ~0  # 掩碼操作，將所有二進制位設為0以確定位數
print(bin(mask)) # -0b1
for i in range(num.bit_length()):
    mask = mask << 1  # 執行左移操作，將缺失的位補足
print(bin(mask)) # -0b100000
print(bin(num & mask | mask)) # -0b11111，最終結果
print(~(num & mask | mask)) # -32，-0b100000的十進制數

在上述代碼中，我們首先定義了一個十進制數16（二進制數10000），然後通過進行取反(~)操作和掩碼操作，來補足缺失的二進制位並得到最終結果.其中我們通過使用&位運算符，實現了對掩碼的操作，即將二進制中的「0」保留，並將缺失的位填充為「1」.

3. 清除指定位上的數字

除了上述兩種特殊的應用場景外，位取反運算符在Python中還有着一種常見的用途，那便是用來清除指定位上的數字.具體的操作方法為：將指定位上的數字取反後再與原始數據進行「與」運算，即可將該位上的數字清零.


# 清除數字某位上的值
def clear_bit(num, i):
    return num & ~(1 << i) # 清除第i位上的數字

num = 21                 # 21的二進制形式為'10101'
bit_pos_to_clear = 2     # 要清除的二進制位為第3位，即右起第3位
res = clear_bit(num, bit_pos_to_clear)     
print(res)               # 輸出結果為'17'，即'10001'

在上述代碼實現中，我們定義了一個函數clear_bit()，通過將數字與需要清除的位的取反結果進行「與」運算，來清除該位上的數字。通過定義參數來指定操作的位數，實現了對於不同數字及位數的操作.