如何在 Python 中進行按位 Not 操作？

Question

為了測試使用更多基本構建塊（使用 Nand、Or 和 And，在我的情況下）構建 Xor 操作，我需要能夠執行 Not 操作。 內置not似乎只與單個位做到這一點。 如果我做：

x = 0b1100
x = not x

我應該得到0b0011但我只得到0b0 。 我究竟做錯了什么？ 或者 Python 只是缺少這個基本功能？

我知道 Python 有一個內置的 Xor 函數，但我一直在使用 Python 來測試我需要構建 Xor 門的 HDL 項目/課程的東西。 我想在 Python 中測試這個，但我不能沒有與 Not 門等效的東西。

Answer 1

在 Python 中使用~的問題在於它適用於有符號整數。 這也是唯一真正有意義的方法，除非您將自己限制在特定的位數上。 它會工作正常按位數學，但它可以使難以解釋的中間結果。

對於 4 位邏輯，您應該從0b1111減去

0b1111 - 0b1100  # == 0b0011

對於 8 位邏輯，從0b11111111等中減去。

一般形式是

def bit_not(n, numbits=8):
    return (1 << numbits) - 1 - n

Answer 2

實現此目的的另一種方法是分配這樣的掩碼（應該全為 1）：

mask = 0b1111

然后與您的號碼進行異或，如下所示：

number = 0b1100
mask = 0b1111
print(bin(number ^ mask))

您可以參考異或真值表以了解其工作原理。

Answer 3

Python 按位 '~' 運算符反轉整數的所有位，但我們看不到本機結果，因為 Python 中的所有整數都有帶符號表示。

我們可以間接檢查：

>>> a = 65
>>> a ^ ~a
-1

或者一樣：

>>> a + ~a
-1

結果 -1 表示所有位都已設置。 但是前面的減號不允許我們直接檢查這個事實：

>>> bin(-1)
'-0b1'

解決方案很簡單：我們必須使用無符號整數。 第一種方法是導入 'numpy' 或 'ctypes' 模塊，它們都支持無符號整數。 但是 numpy 比 ctypes 更簡單（至少對我而言）：

import numpy as np
a = np.uint8(0b1100)
y = ~x

檢查結果：

>>> bin(x)
'0b1100'
>>> bin(y)
'0b11110011'

最后檢查：

>>> x + y
255

8 位整數（字節）的無符號整數“255”與“-1”相同，因為所有位都設置為 1。請確保：

>>> np.uint8(-1)
255

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另一個最簡單的解決方案，不太正確，但如果您想包含其他模塊，您可以使用 XOR 操作反轉所有位，其中第二個參數將所有位設置為 1：

a = 0b1100
b = a ^ 0xFF

此操作還將刪除有符號整數的最高有效位，我們可以看到如下結果：

>>> print('{:>08b}'.format(a))
00001100
>>> print('{:>08b}'.format(b))
11110011

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最后的解決方案還包含一個操作，因此不是最優的：

>>> b = ~a & 0xFF
>>> print('{:>08b}'.format(b))
11110011

Answer 4

試試這個，它被稱為按位補碼運算符：

~0b1100

Answer 5

二進制字符串可用於保留左 0，因為我們知道：

bin(0b000101) # '0b101'
bin(0b101)    # '0b101'

此函數將返回輸入數字的 NOT 的字符串格式

def not_bitwise(n):
     ''' 
     n: input string of binary number (positive or negative)
     return: binary number (string format)
     '''
     head, tail = n.split('b')
     not_bin = head+'b'+tail.replace('0','a').replace('1','0').replace('a','1')
     return not_bin

例子：

In[266]: not_bitwise('0b0001101')
Out[266]: '0b1110010'

In[267]: int(not_bitwise('0b0001101'), 2)

Out[267]: 114

In[268]: not_bitwise('-0b1010101')

Out[268]: '-0b0101010'

In[269]: int(not_bitwise('-0b1010101'), 2)
Out[269]: -42

Answer 6

這里的答案在每個答案中都有很大的亮點，但根據邊緣情況，所有答案都不能很好地擴展。

無需修復 8 位掩碼或要求程序員更改掩碼中有多少位，只需根據通過bit_length()輸入創建掩碼：

def bit_not(num):
    return num ^ ((1 << num.bit_length()) - 1)

Answer 7

John La Rooy 給出的一般形式，可以這樣簡化（python == 2.7 and >=3.1）：

def bit_not(n):
    return (1 << n.bit_length()) - 1 - n