====== 第三章：运算符与表达式 ======

===== 本章目标 =====

完成本章学习后，你将能够：
  * 掌握Python所有类型的运算符
  * 理解运算符优先级和结合性
  * 熟练使用各种表达式
  * 掌握海象运算符等Python 3.8+新特性

===== 算术运算符 =====

==== 基本算术运算 ====

<code python>
a, b = 17, 5

print(a + b)   # 加法：22
print(a - b)   # 减法：12
print(a * b)   # 乘法：85
print(a / b)   # 除法：3.4（总是返回float）
print(a // b)  # 整除：3（向下取整）
print(a % b)   # 取模：2（余数）
print(a ** b)  # 幂运算：1419857
</code>

==== 整除（//）的细节 ====

<code python>
# 正数
print(7 // 3)    # 2

# 负数（向负无穷取整）
print(-7 // 3)   # -3，不是 -2！
print(7 // -3)   # -3

# 与int()的区别
print(int(7 / 3))    # 2
print(int(-7 / 3))   # -2（向零取整）
print(-7 // 3)       # -3（向负无穷取整）
</code>

==== 取模（%）的数学原理 ====

<code python>
# a % b 的结果总是与b同号（或与0同号）
print(7 % 3)     # 1
print(-7 % 3)    # 2（不是 -1！）
print(7 % -3)    # -2
print(-7 % -3)   # -1

# 应用：判断奇偶
def is_even(n):
    return n % 2 == 0

# 应用：循环索引
colors = ["red", "green", "blue"]
for i in range(10):
    print(colors[i % len(colors)])  # 循环使用颜色
</code>

===== 比较运算符 =====

<code python>
a, b = 10, 20

print(a == b)   # 等于：False
print(a != b)   # 不等于：True
print(a > b)    # 大于：False
print(a < b)    # 小于：True
print(a >= b)   # 大于等于：False
print(a <= b)   # 小于等于：True
</code>

==== 链式比较 ====

Python支持数学风格的链式比较：

<code python>
x = 15

# 传统写法
if x > 10 and x < 20:
    print("在范围内")

# Pythonic写法
if 10 < x < 20:
    print("在范围内")

# 更复杂的链式
a, b, c = 1, 2, 3
print(a < b < c)      # True
print(a < b > c)      # False（a<b为True，但b>c为False）
print(a == b == c)    # False
</code>

==== is 与 == 的区别 ====

<code python>
# == 比较值
print([1, 2, 3] == [1, 2, 3])  # True

# is 比较身份（内存地址）
print([1, 2, 3] is [1, 2, 3])  # False

a = [1, 2, 3]
b = a
print(a is b)  # True

# None检查应使用is
if x is None:
    print("x是None")
</code>

===== 赋值运算符 =====

==== 基本赋值 ====

<code python>
x = 10          # 简单赋值
a = b = c = 0   # 链式赋值
x, y = 1, 2     # 解包赋值
</code>

==== 复合赋值运算符 ====

<code python>
x = 10
x += 5   # x = x + 5，结果为15
x -= 3   # x = x - 3，结果为12
x *= 2   # x = x * 2，结果为24
x /= 4   # x = x / 4，结果为6.0
x //= 2  # x = x // 2，结果为3.0
x %= 2   # x = x % 2，结果为1.0
x **= 3  # x = x ** 3，结果为1.0
</code>

==== 海象运算符（:=）Python 3.8+ ====

**walrus operator** 允许在表达式中进行赋值：

<code python>
# 传统写法
line = input()
while line != "quit":
    print(f"输入：{line}")
    line = input()

# 使用海象运算符
while (line := input()) != "quit":
    print(f"输入：{line}")

# 在列表推导中使用
values = [1, 2, 3, 4, 5]
results = [y for x in values if (y := x * 2) > 4]
print(results)  # [6, 8, 10]

# 在if语句中使用
if (n := len(data)) > 10:
    print(f"数据过长：{n}个元素")
</code>

===== 位运算符 =====

位运算符直接操作二进制位：

<code python>
a, b = 5, 3  # 二进制：101 和 011

print(a & b)   # 按位与：1（001）
print(a | b)   # 按位或：7（111）
print(a ^ b)   # 按位异或：6（110）
print(~a)      # 按位取反：-6（二进制补码）
print(a << 2)  # 左移2位：20（10100）
print(a >> 1)  # 右移1位：2（10）
</code>

==== 位运算应用 ====

<code python>
# 权限系统
READ = 4    # 100
WRITE = 2   # 010
EXECUTE = 1 # 001

# 设置权限
permission = READ | WRITE  # 110 = 6

# 检查权限
if permission & READ:
    print("有读权限")

if permission & EXECUTE:
    print("有执行权限")  # 不会输出

# 切换权限
permission ^= WRITE  # 异或切换写权限

# 判断奇偶（比%更快）
def is_odd(n):
    return n & 1 == 1

# 乘以/除以2的幂（比*/更快）
print(10 << 1)  # 20，等同于10 * 2
print(10 >> 1)  # 5，等同于10 // 2
</code>

===== 逻辑运算符 =====

==== and、or、not ====

<code python>
print(True and False)   # False
print(True or False)    # True
print(not True)         # False
</code>

==== 短路求值 ====

Python的逻辑运算符使用**短路求值**：

<code python>
# and：如果第一个为False，返回第一个值；否则返回第二个值
print(0 and 5)      # 0
print(3 and 5)      # 5
print("" and "hi")  # ""

# or：如果第一个为True，返回第一个值；否则返回第二个值
print(3 or 5)       # 3
print(0 or 5)       # 5
print("" or "hi")   # "hi"

# 应用：默认值
name = user_input or "Anonymous"

# 应用：条件执行
def debug():
    print("调试信息")
    return True

is_debug = False
is_debug and debug()  # 不会调用debug()
</code>

==== 真值测试 ====

以下值在布尔上下文中为**False**：
  * None
  * False
  * 0（任何数字类型的零）
  * 空字符串 ""
  * 空列表 []
  * 空元组 ()
  * 空字典 {}
  * 空集合 set()

其他所有值都为**True**。

===== 成员运算符 =====

==== in 和 not in ====

<code python>
# 字符串
print("a" in "apple")      # True
print("z" not in "apple")  # True

# 列表
print(3 in [1, 2, 3])      # True
print(4 not in [1, 2, 3])  # True

# 字典（检查键）
print("name" in {"name": "Alice", "age": 25})  # True
print("Alice" in {"name": "Alice"})            # False（检查的是键）

# 元组
print((1, 2) in [(1, 2), (3, 4)])  # True
</code>

===== 身份运算符 =====

==== is 和 is not ====

<code python>
a = [1, 2, 3]
b = [1, 2, 3]
c = a

print(a is b)      # False（不同对象）
print(a is c)      # True（同一对象）
print(a is not b)  # True

# 小整数缓存
x = 100
y = 100
print(x is y)      # True（缓存）

z = 1000
w = 1000
print(z is w)      # False（可能，取决于实现）

# None检查
if value is None:
    pass
</code>

===== 运算符优先级 =====

从高到低排序：

| 优先级 | 运算符 | 描述 |
| 1 | () | 括号 |
| 2 | ** | 幂运算 |
| 3 | +x, -x, ~x | 一元正负、按位取反 |
| 4 | *, @, /, //, % | 乘、除、整除、取模 |
| 5 | +, - | 加、减 |
| 6 | <<, >> | 位移 |
| 7 | & | 按位与 |
| 8 | ^ | 按位异或 |
| 9 | 竖线 | 按位或 |
| 10 | ==, !=, >, <, >=, <=, is, in | 比较 |
| 11 | not | 逻辑非 |
| 12 | and | 逻辑与 |
| 13 | or | 逻辑或 |
| 14 | if-else | 条件表达式 |
| 15 | =, +=, -= 等 | 赋值 |

===== 条件表达式（三元运算符）=====

<code python>
# 语法：value_if_true if condition else value_if_false

age = 20
status = "成年" if age >= 18 else "未成年"
print(status)  # 成年

# 嵌套（不推荐，可读性差）
grade = "A" if score >= 90 else "B" if score >= 80 else "C"

# 等价的if语句
if age >= 18:
    status = "成年"
else:
    status = "未成年"
</code>

===== 本章练习 =====

1. **计算器**：实现支持+、-、*、/、//、%、**的计算器
2. **权限系统**：使用位运算实现文件权限管理系统
3. **闰年判断**：使用条件表达式判断某年是否为闰年
4. **海象运算符练习**：改写一段使用while循环的代码，使用海象运算符简化
5. **优先级测试**：预测并验证以下表达式的结果：
   - 2 ** 3 ** 2
   - 10 - 4 + 2
   - not 1 or 0 and 1 or 3 and 4 or 5 and 6 or 7 and 8 and 9

===== 本章小结 =====

本章我们学习了：
  * 各种算术运算符及其特性
  * 比较运算符和链式比较
  * 赋值运算符，包括海象运算符
  * 位运算符及应用
  * 逻辑运算符的短路求值
  * 成员和身份运算符
  * 运算符优先级
  * 条件表达式

下一章：[[python_course:chapter04|第四章：条件语句]]