30天学会Python编程:4. Python运算符与表达式

off999 2025-07-07 22:18 52 浏览 0 评论

4.1 运算符概述

4.1.1 运算符分类

Python运算符可分为以下几大类：

4.1.2 运算符优先级

表4-1 Python运算符优先级（从高到低）

运算符	描述	示例
**	指数	2**3 → 8
~ + -	按位取反/正负号	~5, +x, -y
* / // %	乘/除/整除/取模	10//3 → 3
+ -	加/减	3+5 → 8
<< >>	位移	4<<1 → 8
&	按位与	5&3 → 1
^	按位异或	5^3 → 6
\|	按位或	5\|3 → 7
< <= > >=	比较运算	3<5 → True
== !=	等于/不等于	3==3 → True
is, is not	身份运算	x is None
in, not in	成员运算	2 in [1,2,3]
not	逻辑非	not True → False
and	逻辑与	True and False → False
or	逻辑或	True or False → True

4.2 算术运算符

4.2.1 基本算术运算

a, b = 10, 3

print(a + b)   # 加法 13
print(a - b)   # 减法 7
print(a * b)   # 乘法 30
print(a / b)   # 除法 3.333...
print(a // b)  # 整除 3
print(a % b)   # 取模 1
print(a ** b)  # 指数 1000

4.2.2 增强算术运算

x = 5
x += 2  # 等价于 x = x + 2
x **= 3 # 等价于 x = x ** 3
print(x) # 343

4.2.3 特殊算术行为

# 除法总是返回浮点数
print(10 / 2)  # 5.0 

# 整数除法向下取整
print(-7 // 2)  # -4

# 复数运算
c = 3 + 4j
print(c * 2)  # (6+8j)

4.3 比较运算符

4.3.1 基本比较运算

a, b = 5, 7

print(a == b)  # False
print(a != b)  # True
print(a < b)   # True
print(a >= b)  # False

4.3.2 链式比较

x = 5
print(1 < x < 10)  # True (等价于 1 < x and x < 10)

# 支持多个比较
print(1 < x <= 5 < 10)  # True

4.3.3 特殊比较情况

# 浮点数比较
print(0.1 + 0.2 == 0.3)  # False (精度问题)
print(abs((0.1 + 0.2) - 0.3) < 1e-10)  # 正确比较方式

# 不同类型比较
print(10 == 10.0)   # True (值相等)
print(10 is 10.0)   # False (不是同一对象)

4.4 逻辑运算符

4.4.1 基本逻辑运算

x, y = True, False

print(x and y)  # False
print(x or y)   # True
print(not x)    # False

4.4.2 短路求值特性

def check():
    print("check()被调用")
    return True

False and check()  # check()不会被调用
True or check()    # check()不会被调用

4.4.3 实际应用技巧

# 默认值设置
name = user_input or "匿名用户"

# 安全访问字典
value = my_dict.get("key") or default_value

# 条件执行
is_admin and admin_only_function()

4.5 位运算符

4.5.1 基本位运算

a, b = 0b1010, 0b1100  # 10, 12

print(bin(a & b))   # 按位与 0b1000 (8)
print(bin(a | b))   # 按位或 0b1110 (14)
print(bin(a ^ b))   # 按位异或 0b0110 (6)
print(bin(~a))      # 按位取反 -0b1011 (-11)
print(bin(a << 2))  # 左移 0b101000 (40)
print(bin(b >> 1))  # 右移 0b0110 (6)

4.5.2 位运算应用

# 快速乘除2的幂次
print(5 << 1)  # 10 (5*2)
print(20 >> 2) # 5 (20/4)

# 判断奇偶
num = 7
is_odd = num & 1  # 1为奇，0为偶

# 交换两个数
a, b = 3, 4
a ^= b
b ^= a
a ^= b
print(a, b)  # 4, 3

4.6 成员与身份运算符

4.6.1 成员运算符(in)

lst = [1, 2, 3]
dct = {"a": 1, "b": 2}

print(2 in lst)     # True
print(4 not in lst) # True
print("a" in dct)   # True (检查键)
print(1 in dct)     # False

4.6.2 身份运算符(is)

x = [1, 2]
y = [1, 2]
z = x

print(x == y)  # True (值相等)
print(x is y)  # False (不同对象)
print(x is z)  # True (同一对象)

# 小整数缓存
a = 256
b = 256
print(a is b)  # True (Python缓存小整数)

c = 257
d = 257
print(c is d)  # False (大整数不缓存)

4.7 海象运算符(:=)

4.7.1 基本用法

Python 3.8+引入的赋值表达式运算符：

# 传统写法
n = len("hello")
if n > 3:
    print(n)

# 使用海象运算符
if (n := len("hello")) > 3:
    print(n)

4.7.2 实用场景

# 循环中读取并判断
while (line := input()) != "quit":
    print(f"输入: {line}")

# 列表推导式
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
squares = [y for x in numbers if (y := x**2) > 10]

4.8 运算符重载

4.8.1 类中运算符重载

class Vector:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
        
    def __add__(self, other):
        return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)
    
    def __str__(self):
        return f"Vector({self.x}, {self.y})"

v1 = Vector(2, 3)
v2 = Vector(1, 4)
print(v1 + v2)  # Vector(3, 7)

4.8.2 可重载运算符列表

表4-2 常用运算符重载方法

运算符	方法名	说明
+	__add__	加法
-	__sub__	减法
*	__mul__	乘法
/	__truediv__	真除法
//	__floordiv__	整除
%	__mod__	取模
**	__pow__	幂运算
<<	__lshift__	左移
>>	__rshift__	右移
&	__and__	按位与
\|	__or__	按位或
^	__xor__	按位异或
<	__lt__	小于
==	__eq__	等于

4.9 综合应用

案例1：简易计算器

def calculator():
    """支持加减乘除和指数的计算器"""
    while True:
        try:
            expr = input("请输入表达式(或q退出): ").strip()
            if expr.lower() == 'q':
                break
            
            # 使用eval实现简单计算（生产环境应使用更安全的方式）
            result = eval(expr)
            print(f"结果: {result:.2f}" if isinstance(result, float) else f"结果: {result}")
        
        except (SyntaxError, NameError):
            print("错误：无效表达式")
        except ZeroDivisionError:
            print("错误：不能除以零")
        except Exception as e:
            print(f"错误：{e}")

if __name__ == "__main__":
    calculator()

案例2：权限控制系统

# 使用位运算管理权限
READ = 0b0001  # 1
WRITE = 0b0010 # 2
EXECUTE = 0b0100 # 4
ADMIN = 0b1000  # 8

class User:
    def __init__(self, name, permissions=0):
        self.name = name
        self.permissions = permissions
    
    def add_permission(self, perm):
        self.permissions |= perm
    
    def remove_permission(self, perm):
        self.permissions &= ~perm
    
    def has_permission(self, perm):
        return self.permissions & perm == perm
    
    def __str__(self):
        perms = []
        if self.has_permission(READ): perms.append("READ")
        if self.has_permission(WRITE): perms.append("WRITE")
        if self.has_permission(EXECUTE): perms.append("EXECUTE")
        if self.has_permission(ADMIN): perms.append("ADMIN")
        return f"{self.name} 权限: {', '.join(perms) or '无'}"

# 使用示例
user = User("Alice")
user.add_permission(READ | WRITE)
print(user)  # Alice 权限: READ, WRITE

print("有写入权限:", user.has_permission(WRITE))  # True
print("有执行权限:", user.has_permission(EXECUTE))  # False