高效实用的Python位运算符——bitwise_not详解

一、基本概念

在Python中，位运算符是一种十分重要的运算符，它们能够在数字的二进制形式下运算，相对于普通的算术运算符而言可以节省计算时间。Python中一共有6种位运算符，分别是：位取反（NOT）、按位与（AND）、按位或（OR）、按位异或（XOR）、左移（LEFT SHIFT）和右移（RIGHT SHIFT）。其中，bitwise_not运算符对应了位取反（NOT）运算，即将二进制数字中的0，1进行反转处理。

# python中运用bitwise_not运算符进行位取反操作的示例代码
a = 10 # 十进制数10的二进制表示为1010
b = ~a # 对10进行位取反，即1010变成0101，结果为-11（补码表示）
print(b)

在上述代码中，我们先定义了一个十进制数10，并将其转换成了二进制数1010。随后，运用Python中的位取反（~）运算符对其进行了处理，得到了二进制数0101，最后输出结果为-11（补码表示）。

二、使用方法

位取反运算符的运用是极其方便的，我们仅需要通过“~”符号即可实现相应的操作。对于二进制数而言，进行位取反操作即将二进制中所有的0变为1，所有的1变为0。当使用Python内置的bin()函数将这些数字进行输出时，我们可以看到取反操作所得到的二进制数。

# python中使用bin()函数输出位取反（~）运算符的结果
a = 10 # 十进制数10的二进制表示为1010
b = ~a # 对10进行位取反，即1010变成0101
print("a的二进制形式为：",bin(a)) # a的二进制形式为：0b1010
print("b的二进制形式为：",bin(b)) # b的二进制形式为：-0b1011

在上述代码中，我们运用Python内置的bin()函数将变量a和变量b的值进行了二进制输出，以此来展示取反操作的效果。运行以上代码得到的结果是，变量a的二进制形式为1010，而变量b的二进制形式却是-0b1011，这是由于Python中使用二进制补码表示法来表示和存储数字，符号位（即首位1）代表负数，因此我们需要注意取反操作所得到的结果是补码形式表示的数字，而不是原始的二进制数。

三、实用场景

位取反运算符在Python中有着广泛的应用场景，以下是其中一部分：

1. 使用位取反运算符后，将十进制数字转换为负数

在Python中，我们能够通过位运算符快速地将十进制数字转换为负数。具体操作方法为：首先将数字取反，接着将结果加1，最后前加上“-”号即可得到相应的负数形式。

# 将十进制数10转化为负数的实现方法
# 参考链接：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(二进制补码表达)
print(-(a+1))                   # -11 (二进制补码表达式的十进制数)

在上述代码中，我们通过~运算符将十进制数10的二进制形式的0和1进行了位取反操作，得到了0101，再加1，即得到了0110。最后通过在结果前加“-”号的操作，我们就可以得到十进制数-11.

2. 位取反运算符实现对缺失位的补全

对于二进制数而言，在其中插入“0”之后，是一种非常重要的操作。然而，由于二进制数的长度可以发生变化，因此有时候我们需要通过将数值取反，来进行位数补足的操作。具体的实现方法是先将数字进行取反操作，接着通过Python内置的位运算符与（&）来进行掩码的操作，去除前缺失的部分，并将结果再进行一次取反操作.

# 补足二进制数缺少的0位
num = 16 # 要补足的二进制数，即'10000'
mask = ~0  # 掩码操作，将所有二进制位设为0以确定位数
print(bin(mask)) # -0b1
for i in range(num.bit_length()):
    mask = mask << 1  # 执行左移操作，将缺失的位补足
print(bin(mask)) # -0b100000
print(bin(num & mask | mask)) # -0b11111，最终结果
print(~(num & mask | mask)) # -32，-0b100000的十进制数

在上述代码中，我们首先定义了一个十进制数16（二进制数10000），然后通过进行取反(~)操作和掩码操作，来补足缺失的二进制位并得到最终结果.其中我们通过使用&位运算符，实现了对掩码的操作，即将二进制中的“0”保留，并将缺失的位填充为“1”.

3. 清除指定位上的数字

除了上述两种特殊的应用场景外，位取反运算符在Python中还有着一种常见的用途，那便是用来清除指定位上的数字.具体的操作方法为：将指定位上的数字取反后再与原始数据进行“与”运算，即可将该位上的数字清零.

# 清除数字某位上的值
def clear_bit(num, i):
    return num & ~(1 << i) # 清除第i位上的数字

num = 21                 # 21的二进制形式为'10101'
bit_pos_to_clear = 2     # 要清除的二进制位为第3位，即右起第3位
res = clear_bit(num, bit_pos_to_clear)     
print(res)               # 输出结果为'17'，即'10001'

在上述代码实现中，我们定义了一个函数clear_bit()，通过将数字与需要清除的位的取反结果进行“与”运算，来清除该位上的数字。通过定义参数来指定操作的位数，实现了对于不同数字及位数的操作.