第04课：Python语言中的运算符.md

第04课：Python语言中的运算符

Python 语言支持很多种运算符，下面的表格按照运算符的优先级从高到低，对 Python 中的运算符进行了罗列。有了变量和运算符，我们就可以构造各种各样的表达式来解决实际问题。在计算机科学中，表达式是计算机程序中的句法实体，它由一个或多个常量、变量、函数和运算符组合而成，编程语言可以对其进行解释和计算以得到另一个值。不管使用什么样的编程语言，构造表达式都是非常重要的。

运算符	描述
[]、[:]	索引、切片
**	幂
~、+、-	按位取反、正号、负号
*、/、%、//	乘、除、模、整除
+、-	加、减
>>、<<	右移、左移
&	按位与
^、`	`
<=、<、>、>=	小于等于、小于、大于、大于等于
==、!=	等于、不等于
is、is not	身份运算符
in、not in	成员运算符
not、or、and	逻辑运算符
=、+=、-=、*=、/=、%=、//=、**=、&=、`	=、^=、>>=、<<=`

说明： 所谓优先级就是在一个运算的表达式中，如果出现了多个运算符，应该先执行什么再执行什么的顺序。编写代码的时候，如果搞不清楚一个表达式中运算符的优先级，可以使用圆括号来确保运算的执行顺序。

算术运算符

Python 中的算术运算符非常丰富，除了大家最为熟悉的加、减、乘、除之外，还有整除运算符、求模（求余数）运算符和求幂运算符。下面的例子为大家展示了算术运算符的使用。

"""
算术运算符

Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
print(321 + 12)     # 加法运算，输出333
print(321 - 12)     # 减法运算，输出309
print(321 * 12)     # 乘法运算，输出3852
print(321 / 12)     # 除法运算，输出26.75
print(321 // 12)    # 整除运算，输出26
print(321 % 12)     # 求模运算，输出9
print(321 ** 12)    # 求幂运算，输出1196906950228928915420617322241

算术运算需要先乘除后加减，这一点跟数学课本中讲的知识没有区别，也就是说乘除法的运算优先级是高于加减法的。如果还有求幂运算，求幂运算的优先级是高于乘除法的。如果想改变算术运算的执行顺序，可以使用英文输入法状态下的圆括号（小括号），写在圆括号中的表达式会被优先执行，如下面的例子所示。

"""
算术运算的优先级

Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
print(2 + 3 * 5)           # 17
print((2 + 3) * 5)         # 25
print((2 + 3) * 5 ** 2)    # 125
print(((2 + 3) * 5) ** 2)  # 625

赋值运算符

赋值运算符应该是最为常见的运算符，它的作用是将右边的值赋给左边的变量。赋值运算符还可以跟上面的算术运算符放在一起，组合成复合赋值运算符，例如：a += b相当于a = a + b，a *= a + 2相当于a = a * (a + 2)。下面的例子演示了赋值运算符和复合赋值运算符的使用。

"""
赋值运算符和复合赋值运算符

Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
a = 10
b = 3
a += b        # 相当于：a = a + b
a *= a + 2    # 相当于：a = a * (a + 2)
print(a)      # 大家算一下这里会输出什么

注意：赋值运算构成的表达式本身不产生任何值，为了解决这个问题，Python 3.8中引入了一个新的赋值运算符:=，我们通常称之为海象运算符，大家可以猜一猜它为什么叫这个名字，我们在后面用到的时候再为大家讲解这个运算符。

比较运算符和逻辑运算符

比较运算符也称为关系运算符，包括==、!=、<、>、<=、>=，我相信大家一看就能懂。需要提醒的是比较相等用的是==，请注意这里是两个等号，因为=是赋值运算符，我们在上面刚刚讲到过。比较不相等用的是!=，跟数学课本中使用的$\small{\neq}$并不相同，Python 2中曾经使用过<>来表示不等于，在 Python 3中使用<>会引发SyntaxError（语法错误）。比较运算符会产生布尔值，要么是True，要么是False。

逻辑运算符有三个，分别是and、or和not。and字面意思是“而且”，所以and运算符会连接两个布尔值或者产生布尔值的表达式，如果两边的布尔值都是True，那么运算的结果就是True；左右两边的布尔值有一个是False，最终的运算结果就是False。当然，如果and运算符左边的布尔值是False，不管右边的布尔值是什么，最终的结果都是False，这时运算符右边的布尔值会被跳过（专业的说法叫短路处理，如果and右边是一个表达式，那么这个表达式不会执行）。or字面意思是“或者”，所以or运算符也会连接两个布尔值或产生布尔值的表达式，如果两边的布尔值有任意一个是True，那么最终的结果就是True。当然，or运算符也是有短路功能的，当它左边的布尔值为True的情况下，右边的布尔值会被短路（如果or右边是一个表达式，那么这个表达式不会执行）。not运算符的后面可以跟一个布尔值，如果not后面的布尔值或表达式是True，那么运算的结果就是False；如果not后面的布尔值或表达式是False，那么运算的结果就是True。

"""
比较运算符和逻辑运算符的使用

Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
flag0 = 1 == 1
flag1 = 3 > 2
flag2 = 2 < 1
flag3 = flag1 and flag2
flag4 = flag1 or flag2
flag5 = not flag0
print('flag0 =', flag0)     # flag0 = True
print('flag1 =', flag1)     # flag1 = True
print('flag2 =', flag2)     # flag2 = False
print('flag3 =', flag3)     # flag3 = False
print('flag4 =', flag4)     # flag4 = True
print('flag5 =', flag5)     # flag5 = False
print(flag1 and not flag2)  # True
print(1 > 2 or 2 == 3)      # False

说明：比较运算符的优先级高于赋值运算符，所以上面的flag0 = 1 == 1先做1 == 1产生布尔值True，再将这个值赋值给变量flag0。print函数可以输出多个值，多个值之间可以用,进行分隔，输出的内容默认以空格分开。

运算符和表达式应用举例

例子1：华氏温度转摄氏温度

要求：输入华氏温度将其转换为摄氏温度，华氏温度到摄氏温度的转换公式为：$\small{C = (F - 32) / 1.8}$。

"""
将华氏温度转换为摄氏温度

Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
f = float(input('请输入华氏温度: '))
c = (f - 32) / 1.8
print('%.1f华氏度 = %.1f摄氏度' % (f, c))

说明：上面代码中的input函数用于从键盘接收用户输入，由于输入的都是字符串，如果想处理成浮点小数来做后续的运算，可以用我们上一课讲解的类型转换的方法，用float函数将str类型处理成float类型。

上面的代码中，我们对print函数输出的内容进行了格式化处理，print输出的字符串中有两个%.1f占位符，这两个占位符会被%之后的(f, c)中的两个float类型的变量值给替换掉，浮点数小数点后保留1位有效数字。如果字符串中有%d占位符，那么我们会用int类型的值替换掉它，如果字符串中有%s占位符，那么它会被str类型的值替换掉。

除了上面格式化输出的方式外，Python 中还可以用下面的办法来格式化输出，我们给出一个带占位符的字符串，字符串前面的f表示这个字符串是需要格式化处理的，其中的{f:.1f}和{c:.1f}可以先看成是{f}和{c}，表示输出时会用变量f和变量c的值替换掉这两个占位符，后面的:.1f表示这是一个浮点数，小数点后保留1位有效数字。

"""
将华氏温度转换为摄氏温度

Version: 1.1
Author: 骆昊
"""
f = float(input('请输入华氏温度: '))
c = (f - 32) / 1.8
print(f'{f:.1f}华氏度 = {c:.1f}摄氏度')

例子2：计算圆的周长和面积

要求：输入一个圆的半径，计算出它的周长（$\small{2 \pi r}$）和面积（$\small{\pi r^{2}}$）。

"""
输入半径计算圆的周长和面积

Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
radius = float(input('请输入圆的半径: '))
perimeter = 2 * 3.1416 * radius
area = 3.1416 * radius * radius
print('周长: %.2f' % perimeter)
print('面积: %.2f' % area)

Python 中有一个名为math 的内置模块，该模块中定义了名为pi的变量，它的值就是圆周率。如果要使用 Python 内置的这个pi，我们可以对上面的代码稍作修改。

"""
输入半径计算圆的周长和面积

Version: 1.1
Author: 骆昊
"""
import math

radius = float(input('请输入圆的半径: '))
perimeter = 2 * math.pi * radius
area = math.pi * radius ** 2
print(f'周长: {perimeter:.2f}')
print(f'面积: {area:.2f}')

说明：上面代码中的import math表示导入math模块，导入该模块以后，才能用math.pi得到圆周率的值。

这里其实还有一种格式化输出的方式，是 Python 3.8 中增加的新特性，大家直接看下面的代码就明白了。

"""
输入半径计算圆的周长和面积

Version: 1.2
Author: 骆昊
"""
import math

radius = float(input('请输入圆的半径: '))  # 输入: 5.5
perimeter = 2 * math.pi * radius
area = math.pi * radius ** 2
print(f'{perimeter = :.2f}')  # 输出：perimeter = 34.56
print(f'{area = :.2f}')       # 输出：area = 95.03

说明：假如变量a的值是9.87，那么字符串f'{a = }'的值是a = 9.87；而字符串f'{a = :.1f}'的值是a = 9.9。这种格式化输出的方式会同时输出变量名和变量值。

例子3：判断闰年

要求：输入一个1582年以后的年份，判断该年份是不是闰年。

"""
输入年份，闰年输出True，平年输出False

Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
year = int(input('请输入年份: '))
is_leap = year % 4 == 0 and year % 100 != 0 or year % 400 == 0
print(f'{is_leap = }')

说明：对于格里历（Gregorian calendar），即今天我们使用的公历，判断闰年的规则是：1. 公元年份非4的倍数是平年；2. 公元年份为4的倍数但非100的倍数是闰年；3. 公元年份为400的倍数是闰年。格里历是由教皇格里高利十三世在1582年10月引入的，作为对儒略历（Julian calendar）的修改和替代，我们在输入年份时要注意这一点。上面的代码通过%来判断year是不是4的倍数、100的倍数、400的倍数，然后用and和or运算符将三个条件组装在一起，前两个条件要同时满足，第三个条件跟前两个条件的组合只需满足其中之一。

总结

通过上面的讲解和例子，相信大家已经感受到了运算符和表达式的力量。实际编程中的很多问题，都需通过构造表达式来解决，所以变量、运算符、表达式对于任何一门编程语言都是极为重要的基础。如果本节课的内容有什么不理解的地方，一定不要着急进入下一课，先在评论区留言讨论，我会及时解答大家的问题。