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Python位操作指南:从基础到应用

前言

位操作允许直接在二进制层面上直接操作整数的各个位,使用位操作解决问题能降低很多时间和空间复杂度,以很低的成本很优雅的解决问题,不过有着一定的学习成本。

正文

负数和二进制表示

知识补充:

在计算机中,整数用二进制表示。正整数的表示直观,而负数的表示则使用二进制补码形式。这种表示方式让加法和减法能够使用相同的硬件电路处理,并且有效地使用位操作进行数学运算。

  • 原码:数的直接二进制表示,正数最高位是0,负数最高位是1(称为“符号位”)。
  • 反码:正数的反码与原码相同;负数的反码是其原码的符号位保持不变,其他位取反。
  • 补码:正数的补码与原码相同;负数的补码是其反码最低位加1。

例如,对于8位二进制数,+5 的原码是 0000 0101;而-5 的原码是 1000 0101,反码是 1111 1010,补码是 1111 1011。

位操作和运算符

  • 按位与(&)

    • 用法:a & b
    • 功能:只有当两个操作数的相应位都为1时,结果位才为1。
    • 示例:5 & 3 (即 101 & 011)的结果是 1001)。
  • 按位或(|)

    • 用法:a | b
    • 功能:两个操作数的相应位中只要有一个为1,结果位就为1。
    • 示例:5 | 3 (即 101 | 011)的结果是 7111)。
  • 按位异或(^)

    • 用法:a ^ b
    • 功能:两个操作数的相应位不同时,结果位为1。
    • 示例:5 ^ 3 (即 101 ^ 011)的结果是 6110)。
  • 按位取反(~)

    • 用法:~a
    • 功能:操作数的每一位都反转(1变0,0变1)。
    • 注意:在Python中,~a 等于 -a - 1
    • 示例:~5 的结果是 -6,因为在32位整数表示中,5是...000101,取反是...111010
  • 左移(<<)

    • 用法:a << n
    • 功能:将a的二进制表示向左移动n位,右侧空位用0填充。
    • 示例:5 << 1 的结果是 101010)。
  • 右移(>>)

    • 用法:a >> n
    • 功能:将a的二进制表示向右移动n位。
    • 注意:Python中的右移是算术右移,对于有符号整数,左侧空位填充符号位。
    • 示例:-5 >> 1 在Python中的结果是 -3
  • 赋值运算

    • 包括&=|=^=<<=>>=,它们分别对应按位与、按位或、按位异或、左移和右移的赋值操作。
    • 示例:a &= b 等同于 a = a & b

循环与位操作

一些技巧:

使用for i in range(32)进行循环是处理32位整型数位操作的常见技巧,逐位检查、设置或反转整数的特定位。

实战力扣

颠倒给定的 32 位无符号整数的二进制位。

提示:

  • 请注意,在某些语言(如 Java)中,没有无符号整数类型。在这种情况下,输入和输出都将被指定为有符号整数类型,并且不应影响您的实现,因为无论整数是有符号的还是无符号的,其内部的二进制表示形式都是相同的。
  • 在 Java 中,编译器使用二进制补码记法来表示有符号整数。因此,在 示例 2 中,输入表示有符号整数 -3,输出表示有符号整数 -1073741825

示例 1:

输入:n = 00000010100101000001111010011100
输出:964176192 (00111001011110000010100101000000)
解释:输入的二进制串 00000010100101000001111010011100 表示无符号整数 43261596 因此返回 964176192,其二进制表示形式为 00111001011110000010100101000000

示例 2:

输入:n = 11111111111111111111111111111101
输出:3221225471 (10111111111111111111111111111111)
解释:输入的二进制串 11111111111111111111111111111101 表示无符号整数 4294967293,
     因此返回 3221225471 其二进制表示形式为 10111111111111111111111111111111 。
class Solution:
    # @param n, an integer
    # @return an integer
    def reverseBits(self, n):
        result = 0
        for _ in range(32):
            result <<= 1
            result |= n & 1
            n >>= 1
        return result

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