Zrozumienie operacji bitowych: dlaczego JavaScript i Python dają różne wyniki

Operacje bitowe w JavaScript a Python: co musisz wiedzieć

Operacje bitowe są kluczową częścią programowania niskiego poziomu, często używaną w sytuacjach, gdy konieczna jest optymalizacja wydajności. Jednak programiści mogą napotkać nieoczekiwane zachowanie podczas przenoszenia kodu z jednego języka na inny, szczególnie między JavaScript i Python. Częstym problemem jest wykonywanie tych samych operacji bitowych w obu językach, a uzyskiwanie różnych wyników.

This discrepancy becomes evident when working with right-shift (>>Ta rozbieżność staje się oczywista podczas pracy z operacjami z przesunięciem w prawo (>>) i operacjami bitowymi ORAZ (&). Na przykład wykonanie tej samej operacji na numerze 1728950959 w obu językach daje różne wyniki. JavaScript zwraca 186, podczas gdy Python powraca 178, mimo że na pierwszy rzut oka kod wydaje się identyczny.

Źródłem problemu są różne sposoby, w jakie te języki radzą sobie z liczbami, zwłaszcza podejście do arytmetyki binarnej i typów danych. Zrozumienie tych różnic jest niezbędne do replikowania operacji bitowych w językach takich jak JavaScript i Python. Bez tej wiedzy programiści mogą napotkać zamieszanie, jak widać w przykładzie, z którym obecnie pracujesz.

W tym artykule zbadamy przyczyny tych różnic i poprowadzimy Cię przez rozwiązanie umożliwiające osiągnięcie spójnych wyników zarówno w JavaScript, jak i Pythonie. Zagłębmy się w szczegóły tego fascynującego problemu.

Odkrywanie kluczowych różnic w operacjach bitowych między JavaScriptem a Pythonem

W powyższych skryptach sprawdziliśmy, jak radzą sobie JavaScript i Python operacje bitowe differently, particularly when using the right-shift (>> inaczej, szczególnie przy użyciu operatorów przesunięcia w prawo (>>) i operatorów bitowych AND (&). W pierwszym przykładzie JavaScript polecenie konsola.log() wyświetla wynik operacji 1728950959 >>1728950959 >> 8 i 255. Spowoduje to przesunięcie bitów liczby 1728950959 o osiem miejsc w prawo, a następnie wykonanie bitowego AND z wartością 255, co izoluje ostatnie 8 bitów. Wynikiem jest 186. Jednak próba tej samej operacji w Pythonie zwraca 178. Ta rozbieżność wynika ze sposobu, w jaki każdy język obsługuje liczby całkowite, zwłaszcza 32-bitowe liczby całkowite ze znakiem w JavaScript.

W Pythonie liczby całkowite mają dowolną precyzję, co oznacza, że ​​mogą zwiększać swój rozmiar w zależności od pamięci systemu, podczas gdy JavaScript używa 32-bitowych liczb całkowitych ze znakiem o stałym rozmiarze dla liczb. Ta podstawowa różnica powoduje, że dane wyjściowe Pythona różnią się od wyników JavaScript. Aby rozwiązać ten problem, użyliśmy metody typy moduł w Pythonie, w szczególności ctypes.c_int32() funkcję, aby emulować zachowanie 32-bitowej liczby całkowitej ze znakiem JavaScript. Zmuszając Pythona do traktowania liczby jako 32-bitowej liczby całkowitej ze znakiem, wynik staje się identyczny z JavaScriptem (186). Takie podejście zapewnia spójne działanie operacji w obu językach.

Zbadaliśmy także rozwiązanie modułowe w Pythonie, gdzie funkcja bitwise_shift_and() został stworzony. Funkcja ta umożliwia wprowadzenie liczby, liczby przesunięć bitowych i maski bitowej (w tym przypadku 255). Ta modułowość zapewnia, że ​​funkcję można ponownie wykorzystać do różnych operacji bitowych, dzięki czemu kod jest łatwiejszy w utrzymaniu i rozszerzaniu. Sprawdzanie poprawności danych wejściowych jest wbudowane w funkcję using isinstancja() aby mieć pewność, że do operacji przekazywane będą tylko prawidłowe liczby całkowite. Ta metoda nie tylko rozwiązuje początkowy problem, ale także zwiększa elastyczność i obsługę błędów, dzięki czemu skrypt jest bardziej niezawodny.

Oprócz tych podejść oba skrypty obejmują testy jednostkowe w celu sprawdzenia poprawności wyników w wielu środowiskach. Korzystanie z spróbuj... z wyjątkiem block w Pythonie pomaga sprawnie zarządzać błędami, zapewniając informację zwrotną w przypadku przekazania do funkcji wartości niecałkowitych. Takie podejście gwarantuje, że skrypt nie ulegnie nieoczekiwanemu uszkodzeniu i można go używać w większych aplikacjach, w których typy danych wejściowych mogą się różnić. Po stronie JavaScriptu konsola.log() służy do sprawdzania wyniku, co ułatwia debugowanie i weryfikację poprawności operacji bitowych.

// 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.

Zagłęb się w operacje bitowe w różnych językach programowania

Innym kluczowym czynnikiem przy omawianiu operacji bitowych pomiędzy JavaScriptem i Pythonem jest sposób, w jaki każdy język traktuje przepełnienie i niedomiar liczb całkowitych. W JavaScript liczby są przechowywane jako 64-bitowe wartości zmiennoprzecinkowe, ale operacje bitowe są na nich wykonywane jako 32-bitowe liczby całkowite ze znakiem. Oznacza to, że podczas wykonywania przesunięć liczba jest najpierw konwertowana na 32-bitową liczbę całkowitą ze znakiem, a wszelkie bity wykraczające poza ten zakres są odrzucane, co prowadzi do potencjalnych problemów z przepełnieniem lub niedomiarem. Z drugiej strony Python nie ma ustalonej liczby bitów dla liczb całkowitych, co pozwala na ich zwiększanie w miarę potrzeb bez powodowania przepełnienia.

Ponadto JavaScript nie obsługuje natywnie 32-bitowych liczb całkowitych bez znaku, co może powodować zamieszanie w przypadku liczb binarnych przekraczających zakres 32-bitowych liczb całkowitych ze znakiem. Python, dzięki swojej zdolności do obsługi dowolnie dużych liczb całkowitych, może często dawać różne wyniki w tych samych operacjach. Język wybrany dla konkretnej aplikacji może zależeć od precyzji potrzebnej do obliczeń i sposobu zarządzania rozmiarami liczb. W przypadkach, gdy należy unikać przepełnienia liczb całkowitych ze znakiem, korzystne może być dynamiczne pisanie w Pythonie.

Należy pamiętać, że JavaScript automatycznie wymusza liczby podczas stosowania operacji bitowych. Jeśli przesuwasz większą liczbę lub pracujesz ze zmiennymi, JavaScript najpierw zamieni je na 32-bitowe liczby całkowite ze znakiem. Kontrastuje to z Pythonem, gdzie masz pełną kontrolę nad sposobem przedstawiania i manipulowania liczbami. Zrozumienie tych podstawowych różnic między tymi dwoma językami pozwala na pisanie bardziej wydajnego i przewidywalnego kodu podczas pracy z operacjami bitowymi.