30天学会Python编程:4. Python运算符与表达式
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
4.10 学习路线图
4.11 学习总结
- 核心要点：
- 掌握各类运算符的优先级和结合性
- 理解逻辑运算符的短路特性
- 熟练使用成员和身份运算符
- 了解位运算的实际应用场景
- 实践建议：
- 复杂表达式使用括号明确优先级
- 使用is比较单例对象（如None）
- 避免在复杂表达式中使用海象运算符
- 合理重载运算符增强类功能
- 进阶方向：
- 运算符的魔术方法实现
- 自定义异常处理运算错误
- 使用functools.total_ordering简化比较运算
- 元编程中的运算符控制
- 常见陷阱：
- 混淆==和is的用途
- 忽略浮点数比较的精度问题
- 误用可变对象的+=运算
- 忘记运算符优先级导致的逻辑错误
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