part2-3：Python 運算符（賦值、算術、位運算、索引、比較、邏輯、三目、in、運算符優先級）

運算符是一種特殊符號，用來表示數據運算、賦值和比較等。運算符將一個或多個操作數連接成可執行語句，用來實現特定功能。Python 中運算符分為如下幾種：
（1）、賦值運算符
（2）、算術運算符
（3）、位運算符
（4）、索引運算符
（5）、比較運算符
（6）、邏輯運算符

一、 賦值運算符

Python中“=”是賦值運算符，用於為變量或常量指定值。可將表達式的值賦值給另一個變量。例如：
s1 = 'python'   # 將字符串賦值給 s1 變量
flags = True    # 為變量 flags 賦值為 True

還可以使用賦值運算符將一個變量的值賦值給另一個變量。例如：
s2 = s1         # 將變量 s1 的值賦值給 s2

Python 的賦值表達式是有值的，賦值表達式的值就是被賦的值，因此還可以進行連續賦值，例如：
x = y = z = 30
這里將 z = 30 表達式的值賦給變量 y，是由於賦值表達式本身也有值，就是被賦的值，因此表達式 z=30 的值是 30，所以 y 也被賦值為 30；以此類推，變量 x 也被賦值為 30。

賦值運算還可以將表達式的值賦給變量，例如：
n1 = 1.23
n2 = n1 + 3     # 將表達式的值賦值給 n2

二、 算術運算符

算術運算符用於執行基本的數學運算，如加、減、乘、除和求余等。
+：加法運算符除可以讓數字相加外，還可以作為字符串和序列的連接運算符。示例如下：
x = 1.1
y = 2.2
z = x + y       # z 的值是 3.3
s1 = 'hello, ' + 'michael'  # 使用 + 連接兩個字符串

-：減法運算符可讓兩個數字相減，還可以作為求負運算符。示例如下：
a = 5.3
b = 3.1
c = a - b   # c 的值是 2.2
a = -a      # 對 a 求負，此時 a 的值是 -5.3

*：乘法運算符可讓兩個數字相乘。還可作為字符串或序列的連接運算符，表示將 N 個字符串連接起來。示例如下：
multiply = 5 * 3.14     # 兩個數字相乘
print("hello," * 5)       # 使用 乘法（*） 將字符串連接起來，輸出：hello,hello,hello,hello,hello,

/或//：除法運算符有兩個：“/” 是普通除法，除不盡時產生小數；“//”是整除，結果只有商的整數部分，小數部分被丟棄。示例如下：
print(20/6)         # 普通除法，輸出是：3.3333333333333335
print(20//6)        # 整除法，輸出是：3

在Python中的除法運算，除數不能為0，否則報 ZeroDivisionError錯誤。在Python2 中只有一個“/”除法運算符。當兩個操作數都是
整數時就是整除，其中有一個是浮點數時，就是非整除運算。

%：求余運算符，求余運算符的兩個操作數可以是整數，也可以是小數。求余的結果不一定是整數，它是第一個操作數除以第二個操作數，
得到一個整除的結果后剩下的值就是余數。求余運算的第二個操作數同樣不能為0，否則報 ZeroDivisionError錯誤。示例如下：
print(7%5)             # 整數求余，輸出是：2
print(7.3%5.1)       # 浮點數取余，輸出是：2.2
print(-7.3%-5.1)    # 浮點數取余，輸出是：-2.2
print(7.3%-5.1)     # 第二個操作數為負數，輸出是：-2.8999999999999995
print(7.3%-2.3)     # 第二個操作數為負數，輸出是：-1.8999999999999995
print(-7.3%2.3)     # 第一個操作數為負數，輸出是：1.8999999999999995
print(7%0)          # 第二個操作數不能為0，報 ZeroDivisionError錯誤

在上面的示例中，第四個算式的計算結果為什么不是 -2.9？在Python中求余運算的邏輯是用被除數減去除數的N倍，這里N是 -2，所以得到的結果應該是-2.9。但實際結果是-2.8999999999999995，這是由於浮點數在存儲機制導致的。計算機底層的浮點數的存儲機制並不是精確保存每一個浮點數的值，浮點數在Python中可能產生精度丟失的問題。比如這里正常的計算結果是-2.9，但實際計算的結果是一個非常接近-2.9的值。

**：乘方運算符。一個方便的運算符，開方運算是乘方運算的逆運算，用“**”可以進行開方運算。示例如下：
print(3**3)           # 3的3次方，輸出是：27
print(3**(1/2))     # 3的平方根，輸出是：1.7320508075688772
print(2**(1/2))     # 2的平方根，輸出是：1.4142135623730951

三、 位運算符

位運算常用在圖形、圖像處理，和創建設備驅動等底層開發中使用。使用位運算可以直接操作數值的原始bit位，在使用自定義的協議進行通信時，使用位運算符對原始數據進行編碼和解碼了非常有效。

Python中位運算符有下面6個：
&：按位與，需要2個操作數
|：按位或，需要2個操作數
^：按位異或，需要2個操作數
~：按位取反，需1個操作數
<<：左位移運算符，需要2個操作數
>>：右位移運算符，需要2個操作數

示例如下，下面示例中省略了前面24個0：
print(3 & 6)        # 00000011 & 00000110 = 00000010，輸出：2
print(3 | 6)          # 00000011 | 00000110 = 00000111，輸出：7
print(~5)            # 正數5按位取反，輸出是：-6
print(~-5)          # 負數5按位取反，輸出是：4

正數的原碼、反碼、補碼都是相同的。負數的原碼最高位表示符號位，取反碼時符號位保持不變，反碼加1得到補碼。
-5的原碼：1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101   # 最高位1是符號位
-5的反碼：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1010   # 反碼是原碼按位取反，符號位保持不變
-5的補碼：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011   # 反碼加1得到補碼
 4的原碼：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0100   # 對-5的補碼按位取反就得到正的二進制數，可直接計算結果，即4的原碼

5原碼：      0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101       # 正數的原碼
~5的結果：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1010       # 按位取反后最高位符號位是負數，得到的是負二進制數
計算反碼： 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101       # 對負二進制數按位取反得到反碼，符號位保持不變
得到補碼： 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110        # 反碼加1得到補碼，用補碼直接計算結果得 -6

取反小結：
（1）、取反后正數變負數，負數變正數。
（2）、取反后，如果結果為負數，要計算它的補碼，根據補碼得到最后的十進制結果。
（3）、取反后，如果為正數，則其原碼、反碼、補碼一樣，可以直接計算出十進制結果。
（4）、整數的取反運算等於該整數加1后，再對結果取負數運算，用公式總結就是：~x = -(x+1)

print(5^7)        # 5異或7，輸出是：2
print(5<<2)     # 5左移2位，輸出是：20
print(-5<<2)    # -5左移2位，輸出是：-20
print(5>>2)     # 5右移2位，輸出是：1
print(-5>>2)    # -5右移2位，輸出是：-2

左移是將操作數的二進制碼整體左移指定位數，左移后右邊空出來的位以0填充。負數左移時，要先計算其補碼，使用補碼左移后得到值。右移是將操作數的二進制碼右移指定位數后，左邊空出來的位以原來的符號位填充。即：如果第一個操作數原來是正數，則左邊補0；如果第一個操作數是負數，則左邊補1。負數右移時，同樣要先計算補碼，根據補碼右移。

位移運算只適合對整型數進行運算。

在進行位移運算時，左移n位相當於乘以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）。位移運算不會改變原來的操作數本身。

四、 賦值運算符擴展

賦值運算可以與算術運算符、位移運算符等結合。擴展后的賦值運算符如下：
x += y：相當於 x = x + y
x -= y：相當於 x = x - y
x *= y：相當於 x = x * y
x /= y：相當於 x = x / y
x //= y：相當於 x = x // y
x %= y：相當於 x = x % y
x **= y：相當於 x = x ** y
x &= y：相當於 x = x & y
x |= y：相當於 x = x | y
x ^= y：相當於 x = x ^ y
x <<= y：相當於 x = x << y
x >>= y：相當於 x = x >> y

五、 索引運算符

索引運算符在字符串中經常使用，對應的符號是方括號（[]），在方括號中可以使用單個索引值，還可以使用索引范圍。在使用索引范圍時，還可指定步長。示例如下：
s = "hellopython"
print(s[3:10:2])        # 獲取索引3到10的子串，步長為2，輸出：lpto
print(s[3:10:3])        # 獲取索引3到10的子串，步長為3，輸出：lyo

六、比較運算符與 bool 類型

Python中的 bool 類型有兩種值：真（True）和 假（False）。在Python中，不等於0的數字（包括負數）都是True，字符或字符串也是True。等於0的數字或者空值為False。此外，True 還可當做數字1進行算術運算，False 可當做數字0進行算術運算。

比較運算符判斷兩個值（變量、常量、表達式均可）之間的大小，運算結果為真 或 假值。Python中的比較運算符有如下這些：
大於（>）、大於或等於（>=）、小於（<）、小於或等於（<=）、等於（==）、不等於（!=）、判斷兩個變量引用的對象是否相同（is）、判斷兩個變量引用的對象是否不相同（is not）。示例如下：
print(5>4)                 # 輸出：True
print(5>4>3)            # 實際做的比較是：5>4 and 4>3，輸出是：True
print(5>4 and 4>3)  # 輸出是：True
print(3 ** 3 >= 28)   # 3的3次方是否大於或等於28，輸出是：False
print(10 >= 10.0)     # 10 是否大於或等於 10.0，輸出是：True
print(10 == 10.0)     # 10 是否等於 10.0，輸出是：True
print(True == 1)      # True 是否等於數字 1，輸出是：True
print(False == 0)     # False 是否等於數字 0，輸出是：True
print(True + False)  # 輸出：1
print(False - True)   # 輸出：-1

等於（==）與 is 的區別，== 只比較兩個變量的值，is 是判斷兩個變量是否引用同一個對象。Python有一個全局（內置）函數可判斷變量所引用的對象的內存地址（對象在計算機中存儲的門牌號），如果兩個對象所在的內存地址相同（計算機同一塊內存在任一時刻只能存放一個對象），則說明這兩個對象其實是同一個對象。is 就是通過 id() 函數計算兩個對象時判斷返回的地址是否相同。示例如下：
import time
a = time.gmtime()
b = time.gmtime()
print(a == b)       # 輸出是：True
print(a is b)         # 輸出是：False
print(id(a))
print(id(b))         # a 和 b 的內存地址不一樣，所以 a is b 是False

七、 邏輯運算符

邏輯運算符用於操作 bool 類型的變量、常量、表達式，邏輯運算的返回值也是 bool 值。邏輯運算符有下面三個：
邏輯與（and）：兩個操作數都為True，才返回True，否則返回False。
邏輯或（or）：兩個操作數中有一個為True，就返回True。兩個都為False時，才返回False。
邏輯非（not）：只要一個操作數，用常於反轉條件，當操作數為True，則返回False；當操作數為False，則返回True。

示例如下：
print(not True)     # 對True取非運算，輸出是：False
print(5>4 and 4>3)  # 同時判斷兩個條件，輸出是：True
print("4" > "5" or "b" > "a")   # 輸出：True

當使用多個邏輯運算組合成復雜的邏輯時，通常要使用圓括號來明確運算順序，同時也提高程序的可讀性。

八、三目運算符

Python中通過 if 語句實現三目運算符功能。語法格式如下：
True_statements if expression else False_statements
首先對邏輯表達式（expression）求值，如果 expression 返回 True，則執行並返回 True_statements 的值；如果 expression 返回 False，則執行並返回 False_statements 的值。示例如下：
x = 8
y = 5
res = "x大於y" if x > y else "x小於y"
print(res)          # 輸出：x大於y
print("x大於y") if x > y else print('x小於y')   # 還可使用這種形式的三目運算符
print("x大於y" if x > y else 'x小於y')             # 使用這種形式也是可以的

在True_statements 或 False_statements 中可以放置多條語句。支持的主要方式有兩種：
（1）、多條語句以英文逗號隔開：每條語句都會執行，程序返回多條語句的返回值組成的元組。
（2）、多條語句以英文分號隔開：每條語句都會執行，程序只返回第一條語句的返回值。

對於第一種情況，示例如下：
res = print("python"), "x大於y" if x > y else "x小於y"  # 執行這條語句輸出：python
print(res)          # 輸出是：(None, 'x大於y')
這里的 True_statements 是 （print("python"), "x大於y"），這兩條語句都會執行，程序返回這兩條語句的返回值組成的元組。
由於 print() 函數沒有返回值，相當於返回值是 None。所以輸出是 (None, 'x大於y')。

將上面語句的逗號改為分號，並且修改逗號之后的語句，示例如下：
res = print("python"); z = 10 if x > y else "x小於y"      # 執行這條語句輸出：python
print(res)          # res 只有分號前面語句的返回值，輸出：None
print(z)             # 分號后面的語句同樣被執行了，所以輸出：10

另外，三目運算符支持嵌套，通過嵌套三目運算符，可執行更復雜的判斷。示例如下：
x = 10
y = 10
print("x大於y" if x > y else ("x小於y" if x < y else "x等於y"))   # 輸出是：x等於y

九、in運算符

in 運算符可判斷某個成員是否在序列中，例如判斷某個字符是否在某個字符串中。in 的反義詞是 not in，判斷的結果都是 bool 型值。

print('on' in 'python.org')                 # 輸出：True
print('on' not in 'python.org')          # 輸出：False
print('linux' not in 'python.org')      # 輸出：True

十、 運算符的結合性和優先級

數學運算是從左向右進行的，Python中大部分運算也是從左向右結合的。但是單目運算符、賦值運算符和三目運算符例外，它們是從右向左結合的，也就是從右向左運算的。

乘法和加法是兩個可結合的運算符，這兩個運算符左右兩邊的操作數可以互換位置而不影響結果。

此外，運算符有不同的優先級，優先級高的會先計算。按優先級從高到低排列，如下所示：


根據上面的運算符優先級可知，5+5<<2語句的執行順序是，先執行 5+5 得到結果10，再執行 10<<2 得到40。可以使用圓括號來改變執行順序，例如 5+(5<<2) 會先執行 5<<2 的結果20與5相加，得到25。

雖然運算符有優先級順序，但是不要過度依賴運算符的優先級，這樣會造成程序可讀性變差。通常一個表達式太復雜，可分成幾步來完成。另外，當需要明確執行順序時，盡量使用圓括號來表示。


練習二

# 輸入兩個整數，並輸出這兩個整數的整除結果和帶小數的除法結果
num_str = input("請輸入兩個整數，以空格做分隔：")
num_list = num_str.split(" ")
print("%s // %s = %i" % (num_list[0], num_list[1], int(num_list[0]) // int(num_list[1])))
print("%s / %s = %f" % (num_list[0], num_list[1], int(num_list[0]) / int(num_list[1])))

# 從標准輸入讀取兩個整數，並打印三行，第一行是兩個整數的和，第二是兩個整數的差，第三行是兩個整數的乘積
num_str = input("請輸入兩個整數，以空格做分隔：")
num_list = num_str.split(" ")
num1, num2 = int(num_list[0]), int(num_list[1])
print("%d + %i = %d" % (num1, num2, num1 + num2))
print("%d - %i = %d" % (num1, num2, num1 - num2))
print("%d * %i = %d" % (num1, num2, num1 * num2))

# 輸入兩個字符串，第一個是字符串，第二個子串，要求判斷子串在字符串中出現的次數，如ABCDCDC和CDC，程序輸出是2
fist_str = input("請輸入第一個字符串：")
second_str = input("請輸入第二個子串：")
fist_str_length = len(fist_str)
second_str_length = len(second_str)
n = 0
count = 0
if second_str_length > fist_str_length:
    print(count)
elif second_str_length == 1:
    print(fist_str.count(second_str))
else:
    for _ in range(1, fist_str_length - 1):
        if fist_str[n:second_str_length] == second_str:
            count += 1
            n += 1
            second_str_length += 1
        else:
            n += 1
            second_str_length += 1
    print(count)

# 輸入一個任意整數，輸出該整數的十進制、八進制、十六進制、二進制形式的字符串
num = int(input("請輸入一個整數："))
print("十進制形式：%s" % num)
print("八進制形式：%o" % num)
print("十六進制小寫形式：%x" % num)
print("十六進制大寫形式：%X" % num)
print("二進制形式：%s" % bin(num))

# 修改字符串，要求輸入一個字符，修改字符串中指定的位置，例如 6 @ 表示將字符串中6的位置修改為 @ 符號
s = input("請輸入一個字符串：")
r = input("請輸入修改位置及修改符號，以空格分隔，例如 “6 @”：")
r_list = r.split(" ")
index = int(r_list[0])
s1 = s[0:index]         # 如果 index 是 0，則 s[0:0] 是空值
s2 = s[index+1:]
print("修改后的字符串是：", s1 + r_list[1] + s2)