Python中的“按位非”不考虑2的补码答案

【问题标题】："Bitwise Not" in Python disconsidering 2's complementPython中的“按位非”不考虑2的补码
【发布时间】：2014-09-10 02:50:30
【问题描述】：

我需要在 Python 中进行“~”操作，但不考虑 2 的补码。我通过使用 XOR 设法做到了这一点，你知道另一种方法吗？（更高效）

a = 0b101
b = 0b10101

print bin(a ^ (2 ** a.bit_length() - 1)) #0b10
print bin(b ^ (2 ** b.bit_length() - 1)) #0b1010

【问题讨论】：

请问为什么？ bin 表示可能会让您感到困惑。 ~ 确实反转了位；它只是反转了无限个位，因此无法以文本方式表示。 bin 因此对- 进行了一些处理以使其工作，但最终隐藏了所有位都被反转的事实。
@Veedrac 我正在实现一个 16 位虚拟机。
我认为你的方法足够好，不要认为 python 有这样做的本机方式。一个小的变化可以是使用位移而不是幂。
如果是虚拟机，您可能知道寄存器宽度，因此您可以通过将表达式硬编码为a ^ 0xFFFF 来清理一下。
(1 << b.bit_length() - 1) 将比 (2 ** b.bit_length() - 1) 更快 - 是的，如果可以的话，硬编码一个掩码而不是调用 bit_length。

【解决方案1】：

~ 已经这样做了。棘手的部分是 Python 有无限长度的整数，所以当你反转一个数字时，它是用符号扩展的——至少从概念上讲——无限个 1。这意味着你得到负数。

>>> bin(~0b101)
'-0b110'
>>> bin(~0b10101)
'-0b10110'

要将这些转换为无符号数，您需要确定您关心的位数。也许您正在使用 8 位字节。然后你可以将它们与一个字节的 1 位相加：

>>> bin(~0b101 & 0xFF)
'0b11111010'
>>> bin(~0b10101 & 0xFF)
'0b11101010'

或者如果你想匹配输入数字的确切位长，你的解决方案是合理的。为了提高效率，您可以将指数切换为左移。使用~ 和& 而不是^ 可能更清楚。

>>> bin(~a & ((1 << a.bit_length()) - 1))
'0b10'
>>> bin(~b & ((1 << b.bit_length()) - 1))
'0b1010'

（我怀疑像& 0xFFFF 这样的硬编码掩码在实践中将是正确的解决方案。对于基于bit_length() 的答案，我想不出一个好的现实世界用例。）

【讨论】：

【解决方案2】：

另一种方式，虽然有些人（包括我自己）可能会认为它更好，但：

tbl = str.maketrans("01","10")

int(bin(42)[2:].translate(tbl),2)

第一位只是建立一个转换表来反转字符串中的1和0位。

第二个位得到二进制表示（42 -> 0b101010），去掉前面的0b，并通过翻译反转位。然后你只需使用int(,2) 将二进制字符串转换回一个数字。

如果您可以将其限制为特定宽度而不是使用数字本身的宽度，那么这是一个简单的问题（使用 32 位的示例）：

val = val ^ 0xffff

【讨论】：