Entendre les operacions per bits: per què JavaScript i Python donen resultats diferents

Operacions bit a bit en JavaScript vs Python: el que necessiteu saber

Les operacions bit a bit són una part crucial de la programació de baix nivell, sovint s'utilitzen en situacions en què l'optimització del rendiment és necessària. Tanmateix, els desenvolupadors poden enfrontar-se a un comportament inesperat quan porten codi d'un idioma a un altre, especialment entre JavaScript i Python. Un problema comú sorgeix quan es realitzen les mateixes operacions bit a bit en ambdós idiomes, però obtenint resultats diferents.

This discrepancy becomes evident when working with right-shift (>>Aquesta discrepància es fa evident quan es treballa amb operacions de desplaçament a la dreta (>>) i de bits AND (&). Per exemple, executant la mateixa operació sobre el número 1728950959 en ambdós idiomes dóna sortides diferents. Torna JavaScript 186, mentre que Python torna 178, tot i que el codi sembla idèntic a primera vista.

L'arrel del problema rau en les diferents maneres en què aquests llenguatges gestionen els números, especialment el seu enfocament a l'aritmètica binària i als tipus de dades. Entendre aquestes diferències és essencial per replicar operacions bit a bit en llenguatges com JavaScript i Python. Sense aquest coneixement, els desenvolupadors poden trobar confusió, com es veu a l'exemple amb el qual esteu treballant actualment.

En aquest article, explorarem les causes subjacents d'aquestes diferències i us guiarem per una solució per aconseguir resultats coherents tant en JavaScript com en Python. Aprofundim en els detalls d'aquest problema fascinant.

Explorant les diferències clau en les operacions bit a bit entre JavaScript i Python

Als scripts anteriors, vam explorar com es gestionen JavaScript i Python operacions per bits differently, particularly when using the right-shift (>> de manera diferent, especialment quan s'utilitzen els operadors de desplaçament a la dreta (>>) i de bits AND (&). Al primer exemple de JavaScript, l'ordre console.log() dóna sortida al resultat de l'operació 1728950959 >>1728950959 >> 8 i 255. Això desplaça els bits del número 1728950959 de vuit llocs cap a la dreta i després realitza un AND bit a bit amb 255, que aïlla els darrers 8 bits. El resultat és 186. Tanmateix, quan s'intenta aquesta mateixa operació a Python, retorna 178. Aquesta discrepància sorgeix a causa de com cada llenguatge gestiona els nombres enters, especialment els enters de 32 bits signats en JavaScript.

A Python, els nombres enters tenen una precisió arbitrària, el que significa que poden créixer de mida en funció de la memòria del sistema, mentre que JavaScript utilitza enters amb signe de 32 bits de mida fixa per als números. Aquesta diferència fonamental és el que fa que la sortida de Python difereix de la de JavaScript. Per solucionar aquest problema, hem utilitzat el tipus c mòdul en Python, concretament el ctypes.c_int32() funció, per emular el comportament d'enter signat de 32 bits de JavaScript. En forçar Python a tractar el nombre com un nombre enter amb signe de 32 bits, el resultat esdevé idèntic al de JavaScript (186). Aquest enfocament garanteix que l'operació es comporta de manera coherent en ambdós idiomes.

També vam explorar una solució modular en Python, on la funció canvi_bit_bit_i() va ser creat. Aquesta funció permet l'entrada d'un nombre, el nombre de desplaçaments de bits i la màscara de bits (en aquest cas, 255). Aquesta modularitat garanteix que la funció es pugui reutilitzar per a diferents operacions bit a bit, fent que el codi sigui més fàcil de mantenir i ampliar. La validació d'entrada està integrada a la funció utilitzant és una instància () per garantir que només es passen nombres enters vàlids a l'operació. Aquest mètode no només resol el problema inicial sinó que també afegeix flexibilitat i gestió d'errors, fent que l'script sigui més robust.

A més d'aquests enfocaments, ambdós scripts incorporen proves unitàries per validar la correcció de la sortida en diversos entorns. L'ús de la prova... excepte block a Python ajuda a gestionar els errors amb gràcia, proporcionant comentaris si es passen valors no enters a la funció. Aquest enfocament garanteix que l'script no fallarà de manera inesperada i es pot utilitzar en aplicacions més grans on els tipus d'entrada poden variar. Al costat de JavaScript, console.log() s'utilitza per comprovar el resultat, facilitant la depuració i verificació de la correcció de les operacions bit a bit.

// JavaScript: Replicating the issue
console.log(1728950959 >> 8 & 255); // Outputs 186 in JavaScript

// Explanation:
// JavaScript uses 32-bit signed integers, and the right-shift operation shifts the bits.
// The '&' operator masks the last 8 bits of the shifted value, hence 186 is the result.

// Backend Python example showing the issue
print(1728950959 >> 8 & 255) # Outputs 178 in Python

# Explanation:
# Python handles integers differently; it has arbitrary precision.
# This leads to a different result due to how it handles shifts and bitwise operations.

# Python: Emulating 32-bit signed integers with ctypes library
import ctypes

# Applying the 32-bit signed integer emulation
def emulate_js_shift(num):
    num = ctypes.c_int32(num).value  # Emulate 32-bit signed integer
    return (num >> 8) & 255

# Test case
print(emulate_js_shift(1728950959))  # Outputs 186, same as JavaScript

# Explanation:
# ctypes.c_int32 ensures that Python treats the number like a 32-bit signed integer.
# This approach matches JavaScript's behavior more closely.

# Python: Modular bitwise operation with optimized error handling
def bitwise_shift_and(num, shift, mask):
    if not isinstance(num, int) or not isinstance(shift, int):
        raise ValueError("Inputs must be integers")
    result = (num >> shift) & mask
    return result

# Test case
try:
    print(bitwise_shift_and(1728950959, 8, 255))  # Outputs 178
except ValueError as e:
    print(f"Error: {e}")

# This solution incorporates input validation and modular design, making it reusable.

Aprofundiment en les operacions bit a bit en diferents llenguatges de programació

Un altre factor clau a l'hora de parlar de les operacions bit a bit entre JavaScript i Python és com cada llenguatge tracta el desbordament i el desbordament d'enters. A JavaScript, els números s'emmagatzemen com a valors de coma flotant de 64 bits, però les operacions per bit s'hi realitzen com a nombres enters amb signe de 32 bits. Això vol dir que quan es realitzen canvis, el nombre es converteix primer en un nombre enter amb signe de 32 bits i es descarten els bits més enllà d'aquest interval, la qual cosa comporta possibles problemes de desbordament o desbordament. Python, d'altra banda, no té un nombre fix de bits per a nombres enters, cosa que els permet créixer segons sigui necessari sense provocar un desbordament.

A més, JavaScript no admet nombres enters de 32 bits sense signar de manera nativa, cosa que pot provocar confusió quan es tracta de nombres binaris que superen l'interval d'enters de 32 bits signats. Python, amb la seva capacitat per manejar nombres enters arbitràriament grans, sovint pot produir resultats diferents en les mateixes operacions. L'idioma que trieu per a una aplicació específica pot dependre de la precisió necessària per als vostres càlculs i de com voleu gestionar la mida dels números. En els casos en què cal evitar el desbordament de nombres enters signats, l'escriptura dinàmica de Python pot ser avantatjosa.

És important tenir en compte que JavaScript coacciona automàticament els números quan s'apliquen operacions bit a bit. Si canvieu un nombre més gran o treballeu amb flotants, JavaScript els obligarà primer a convertir-los en nombres enters signats de 32 bits. Això contrasta amb Python, on teniu un control total sobre com es representen i manipulen els números. Entendre aquestes diferències fonamentals entre els dos idiomes us permet escriure un codi més eficient i previsible quan es treballa amb operacions bit a bit.