超详解——​深入理解Python中的位运算与常用内置函数模块——基础篇

见贤思齐

目录​编辑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.深入理解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，结果的该位才为1。按位或（|）：两个二进制数对应位有一个为1，结果的该位就为1。按位异或（^）：两个二进制数对应位不同，结果的该位为1。按位取反（~）：将二进制数的每一位取反（0变1，1变0）。左移（<<）：将二进制数的所有位向左移动指定的位数，右侧补0。右移（>>）：将二进制数的所有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：00111100b=13#二进制：00001101#按位与result=a&b#结果：00001100(12)print(result)#输出：12#按位或result=a|b#结果：00111101(61)print(result)#输出：61#按位异或result=a^b#结果：00110001(49)print(result)#输出：49#按位取反result=~a#结果：11000011(-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：00001111(15)print(result)#输出：151.按位与（&）例子：a&b，即60&13二进制表示：60：0011110013：00001101结果：00001100，即122.按位或（|）例子：a|b，即60|13二进制表示：60：0011110013：00001101结果：00111101，即613.按位异或（^）例子：a^b，即60^13二进制表示：60：0011110013：00001101结果：00110001，即494.按位取反（~）例子：~a，即~60二进制表示：60：00111100~60：11000011（补码表示）结果：-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：60：00111100右移2位：00001111结果：152.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。importmathprint(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。importrandomprint(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精确计算。fromdecimalimportDecimala=Decimal('0.1')b=Decimal('0.2')c=a+bprint(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，例如计算绝对值、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([1,2,3]))#6，计算和3.深入理解和应用通过上面的例子，我们了解了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，常常使用位运算来表示和检查权限。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=0b0001WRITE=0b0010EXECUTE=0b0100permission=READ|WRITEdefhas_permission(perm,check):returnperm&check==checkprint(has_permission(permission,READ))#Trueprint(has_permission(permission,EXECUTE))#False2.位图位图（bitmap）是一种使用位来表示集合的数据结构，常用于高效的集合运算和压缩存储。bitmap=0defadd_to_bitmap(bitmap,value):returnbitmap|(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)) # Trueprint(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，例如图像的掩膜操作、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 = 0xFFvalue = 0x123456masked_value = apply_mask(value, mask)print(hex(masked_value)) # 0x56 r = 0x12g = 0x34b = 0x56combined_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，例如平均值、标准差等。 import math data = [2, 4, 4, 4, 5, 5, 7, 9] 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)) # 5.0print(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，例如计算三角形的面积、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)) # 6.0print(circle_area(3)) # 28.274333882308138print(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手段，尤其在权限管理、位图处理和图像处理等领域具有重要应用。而内置的数学和随机数函数则为科学计算、数据分析等领域提供了强大的支持。