Python NumPy二元位运算详解：从基础到打包

半杯拿铁

发布时间：2026-10-16 | 5人浏览过

原创

本文详细解析Python Num库中的二元位运算函数。涵盖按位与、或、异或、反转及左右移位操作，并通过整数与数组示例展示具体用法。同时介绍二进制表示、位打包与解包函数，帮助开发者高效处理底层数据操作。

NumPy二元位运算基础

二元运算符直接作用于二进制位，执行逐位计算。这类运算的核心规则是将两个数值组合，从而生成一个新的数值结果。

numpy.bitwise_and()函数用于计算两个数组元素之间的按位与操作。该函数会提取输入数组中整数的底层二进制表示，并执行按位与逻辑。

代码#1：

# 解释 bitwise_and() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
in_num1 = 10
in_num2 = 11
 
print ("Input  number1 : ", in_num1)
print ("Input  number2 : ", in_num2) 
   
out_num = geek.bitwise_and(in_num1, in_num2) 
print ("bitwise_and of 10 and 11 : ", out_num)

在 IDE 上运行

输出：

Input number1 : 10 Input number2 : 11 bitwise_and of 10 and 11 : 10

代码#2：

# 解释 bitwise_and() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
 
in_arr1 = [2, 8, 125]
in_arr2 = [3, 3, 115]
  
print ("Input array1 : ", in_arr1) 
print ("Input array2 : ", in_arr2)
   
out_arr = geek.bitwise_and(in_arr1, in_arr2) 
print ("Output array after bitwise_and: ", out_arr)

在 IDE 上运行

输出：

Input array1 : [2, 8, 125] Input array2 : [3, 3, 115] Output array after bitwise_and: [ 2 0 113]

按位或运算

numpy.bitwise_or()函数用于计算两个数组元素之间的按位或操作。该函数会提取输入数组中整数的底层二进制表示，并执行按位或逻辑。

代码#1：

# 解释 bitwise_or() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
in_num1 = 10
in_num2 = 11
 
print ("Input  number1 : ", in_num1)
print ("Input  number2 : ", in_num2) 
   
out_num = geek.bitwise_or(in_num1, in_num2) 
print ("bitwise_or of 10 and 11 : ", out_num)

在 IDE 上运行

输出：

Input number1 : 10 Input number2 : 11 bitwise_or of 10 and 11 : 11

代码#2：

# 解释 bitwise_or() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
 
in_arr1 = [2, 8, 125]
in_arr2 = [3, 3, 115]
  
print ("Input array1 : ", in_arr1) 
print ("Input array2 : ", in_arr2)
   
out_arr = geek.bitwise_or(in_arr1, in_arr2) 
print ("Output array after bitwise_or: ", out_arr)

在 IDE 上运行

输出：

Input array1 : [2, 8, 125] Input array2 : [3, 3, 115] Output array after bitwise_or: [ 3 11 127]

按位异或运算

numpy.bitwise_xor()函数用于计算两个数组元素之间的按位异或操作。该函数会提取输入数组中整数的底层二进制表示，并执行按位异或逻辑。

代码#1：

# 解释 bitwise_xor() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
in_num1 = 10
in_num2 = 11
 
print ("Input  number1 : ", in_num1)
print ("Input  number2 : ", in_num2) 
   
out_num = geek.bitwise_xor(in_num1, in_num2) 
print ("bitwise_xor of 10 and 11 : ", out_num)

在 IDE 上运行

输出：

Input number1 : 10 Input number2 : 11 bitwise_xor of 10 and 11 : 1

代码#2：

# 解释 bitwise_xor() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
 
in_arr1 = [2, 8, 125]
in_arr2 = [3, 3, 115]
  
print ("Input array1 : ", in_arr1) 
print ("Input array2 : ", in_arr2)
   
out_arr = geek.bitwise_xor(in_arr1, in_arr2) 
print ("Output array after bitwise_xor: ", out_arr)

在 IDE 上运行

输出：

Input array1 : [2, 8, 125] Input array2 : [3, 3, 115] Output array after bitwise_xor: [ 1 11 14]

按位反转与补码

numpy.invert()函数用于计算数组元素的按位反转。它会对输入数组中整数的底层二进制表示执行按位非（NOT）操作。

当输入为有符号整数时，该函数返回二进制补码。在二进制补码系统中，负数通过其绝对值的二进制补码形式来表示。

代码#1：

# 解释 invert() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
in_num = 10
print ("Input  number : ", in_num)
   
out_num = geek.invert(in_num) 
print ("inversion of 10 : ", out_num)

在 IDE 上运行

输出：

Input number : 10 inversion of 10 : -11

代码#2：

# 解释 invert() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
 
in_arr = [2, 0, 25]
print ("Input array : ", in_arr)
   
out_arr = geek.invert(in_arr) 
print ("Output array after inversion: ", out_arr)

在 IDE 上运行

输出：

Input array : [2, 0, 25] Output array after inversion: [ -3 -1 -26]

左移与右移操作

numpy.left_shift()函数用于将整数的位向左移动。具体做法是在arr1的右侧追加arr2个0（零）来实现左移。由于数字内部采用二进制格式，此操作等价于arr1乘以2**arr2。例如，若数字为5且左移2位，结果为5*(2^2) = 20。

代码#1：

# 解释 left_shift() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
in_num = 5
bit_shift = 2
 
print ("Input  number : ", in_num)
print ("Number of bit shift : ", bit_shift ) 
   
out_num = geek.left_shift(in_num, bit_shift) 
print ("After left shifting 2 bit  : ", out_num)

在 IDE 上运行

输出：

Input number : 5 Number of bit shift : 2 After left shifting 2 bit : 20

代码#2：

# 解释 left_shift() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
 
in_arr = [2, 8, 15]
bit_shift =[3, 4, 5]
  
print ("Input array : ", in_arr) 
print ("Number of bit shift : ", bit_shift)
   
out_arr = geek.left_shift(in_arr, bit_shift) 
print ("Output array after left shifting: ", out_arr)

在 IDE 上运行

输出：

Input array : [2, 8, 15] Number of bit shift : [3, 4, 5] Output array after left shifting: [ 16 128 480]

numpy.right_shift()函数用于将整数的位向右移动。由于数字内部采用二进制格式，此操作等价于将arr1除以2**arr2。例如，若数字为20且右移2位，结果为20/(2^2) = 5。

代码#1：

# 解释 right_shift() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
in_num = 20
bit_shift = 2
 
print ("Input  number : ", in_num)
print ("Number of bit shift : ", bit_shift ) 
   
out_num = geek.right_shift(in_num, bit_shift)

在 IDE 上运行

输出：

Input number : 20 Number of bit shift : 2 After right shifting 2 bit : 5

代码#2：

# 解释 right_shift() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
 
in_arr = [24, 48, 16]
bit_shift =[3, 4, 2]
  
print ("Input array : ", in_arr) 
print ("Number of bit shift : ", bit_shift)
   
out_arr = geek.right_shift(in_arr, bit_shift) 
print ("Output array after right shifting: ", out_arr)

在 IDE 上运行

输出：

Input array : [24, 48, 16] Number of bit shift : [3, 4, 2] Output array after right shifting: [3 3 4]

二进制表示与打包解包

numpy.binary_repr(number, width=None)函数用于将输入数字的二进制形式转换为字符串。对于负数，若未指定宽度，结果前会添加减号；若指定了宽度，则返回与该宽度对应的二进制补码。

在二进制补码系统中，负数由绝对值的二进制补码表示。这是计算机中表示有符号整数最常用的方法。

代码#1：

# 解释 binary_repr() 函数的 Python 程序
 
import numpy as geek
in_num = 10
 
print ("Input  number : ", in_num)
 
out_num = geek.binary_repr(in_num) 
print ("binary representation of 10 : ", out_num)

在 IDE 上运行

输出：

Input number : 10 binary representation of 10 : 1010

代码#2：

# 解释 binary_repr() 函数的 Python 程序
import numpy as geek
 
in_arr = [5, -8 ]
  
print ("Input array : ", in_arr) 
 
# 不使用宽度参数的第一个数组元素的二进制表示
out_num = geek.binary_repr(in_arr[0])
print("Binary representation of 5")
print ("Without using width parameter : ", out_num) 
 
# 使用宽度参数的第一个数组元素的二进制表示
out_num = geek.binary_repr(in_arr[0], width = 5)
print ("Using width parameter: ", out_num) 
 
print("\nBinary representation of -8")
 
# 不使用宽度参数的第二个数组元素的二进制表示
out_num = geek.binary_repr(in_arr[1])
print ("Without using width parameter : ", out_num) 
 
# 使用宽度参数的第二个数组元素的二进制表示
out_num = geek.binary_repr(in_arr[1], width = 5)
print ("Using width parameter : ", out_num)

在 IDE 上运行

输出：

Input array : [5, -8] Binary representation of 5 Without using width parameter : 101 Using width parameter: 00101 Binary representation of -8 Without using width parameter : -1000 Using width parameter : 11000

numpy.packbits(myarray, axis=None)函数用于将二进制值数组的元素打包成uint8数组中的位。结果会在末尾插入零位以填充至完整字节。

代码#1：

# 解释 packbits() 函数的 Python 程序
import numpy as np
 
# 使用数组函数创建数组
a = np.array([[[1,0,1],
             [0,1,0]],
             [[1,1,0],
             [0,0,1]]])
 
# 使用 packbits() 函数打包数组的元素
b = np.packbits(a, axis=-1)
 
print(b)

在 IDE 上运行

输出：

[[[160],[64]],[[192],[32]]]

numpy.unpackbits(myarray, axis=None)函数用于将uint8数组的元素解包为二进制值输出数组。myarray的每个元素代表应解包为二进制值输出数组的位字段。输出数组形状为一维（若axis为None）或与输入数组形状相同，并沿指定轴进行解包。

代码#1：

# 解释 unpackbits() 函数的 Python 程序
import numpy as np
 
# 使用数组函数创建数组
a = np.array([[2], [7], [23]], dtype=np.uint8)
 
# 使用 packbits() 函数打包数组的元素
b = np.unpackbits(a, axis = 1)
 
print(b)

在 IDE 上运行

输出：