python 비트연산과 시프트 연산 방법 및 적용 예시

python 비트(bit) 연산과 시프트 연산(shift)의 사용 방법과 활용법에 대해 알아보자.

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비트 연산

비트 연산은 이진수로 논리 연산을 한다. 논리 연산에는 AND, OR, XOR, NAND가 있다. 하나씩 살펴보자.

AND( & ) 연산

아래와 같이 두 비트의 연산에서 둘 다 1인 경우에만 1을 반환한다.

>>> 1 & 1
1
>>> 1 & 0
0
>>> 0 & 0
0

이진수가 한자리 수가 아닌 경우 각 자리수를 보고 연산한다. 예를 들어,
이진수 1001과 1101가 있으면, 첫째자리와 넷째자리 수만 둘 다 1이므로, 1을 반환하고 나머지는 0을 반환한다.
그러므로 결과는 1001이된다.

십진수의 경우, 이진수로 변환 후에 계산한다. 예를 들어,
9는 이진수로 1001, 13는 이진수로 1101인데, 이 둘을 비트연산하면 1001이므로 리턴값은 9가 된다.

>>> 9 & 13
9
>>> 0b1001 & 0b1101 #이진수로 계산하고 싶은 경우, 0b를 앞에 붙이면 된다.
9

정리하면, 두 개의 이진수를 각자리 별로 진리표에 따라 계산하는 것이다! 간단하다. 계속 살펴보자.

OR( | ) 연산

OR 연산은 둘 중 하나면 1이면 1을 반환한다. 마찬가지로 9와 13을 연산해보자.

>>> 9 | 13
13
>>> 0b1001 | 0b1101
13

XOR( ^ ) 연산

XOR 연산은 비교 값이 서로 달라야 1을 반환한다.

>>> 9 ^ 13
4
>>> 0b1001 ^ 0b1101
4
>>> bin(4) #4는 100이다.
'0b100'

비트연산 적용 예시

비트 연산으로 복수 개 값의 포함 여부를 알 수 있다.
예를 들어 사용자가 요일을 선택하면 해당 요일에 알람을 보내는 기능이 있다고 해보자.
이진수 계산을 위해 월요일을 1(2⁰ ), 화요일을 2(2¹ ), 수요일을 4(2² ),,, 일요일을 64(2⁶ )라고 둔다.
만악 사용자가 월, 수를 골랐다면 1+4 이므로 5이다. 오늘이 월요일이라고 했을 때, 해당 유저에게 알람을 보낼지 확인하려면 AND 비트 연산을 하면된다!

>>> 1 & 5 #월요일은 1이다.
1
>>> 2 & 5 #화요일은 2이며, 유저는 화요일을 선택하지 않았다!
0
>>> 4 & 5 #수요일은 4이며, 유저는 수요일을 선택했다.
4

권한을 지정할 때도 비트연산은 좋은 방법이다. 보통 쓰기 권한이 있으면 읽기 권한도 있는 것이므로, 읽기 권한이 1이면 쓰기 권한은 읽기 권한 값 1과 쓰기 권한 2를 더해 3으로 둘 수 있다. 이 때에는 메뉴의 권한 값과 일치하는 결과를 리턴해야 권한이 있다고 보면된다.
만약 읽기 권한의 유저가 쓰기 권한용 메뉴를 접근하면 아래와 같이 1을 반환할 것이고 이는 쓰기 권한용 값이 아니므로 유저가 접근할 수 없다.

>>> 1 & 3 #읽기 권한 유저
1
>>> 3 & 3 # 쓰기 권한 유저
3

만약 읽기 + 쓰기 + 알림 기능을 가진 슈퍼어드민은 1 + 2+ 4 = 7이라면, 쓰기 메뉴에 접근할 수 있다.

>>> 7 & 3 #슈퍼어드민
3

비트 시프트(shift) 연산

시프트 연산은 지정한 숫자만큼 값을 이동하는 것이다.

<< 왼쪽 shift

지정한 숫자만큼 왼쪽으로 비트를 이동한다. 앞으로 n개만큼 생기는 것이기 때문에, n개만큼 자릿수가 늘어난다.

>>> bin(0b1000 << 1) #bin()은 10진수를 2진수로 바꿔준다.
'0b10000'
>>> bin(0b1001 << 2)
'0b100100'

>> 오른쪽 shift

지정한 숫자만큼 오른쪽으로 비트를 이동한다. 뒤로 이동하는 것이기 때문에, n개 만큼 자릿수가 줄어든다.

>>> bin(0b1000 >> 1)
'0b100'
>>> bin(0b1001 >> 2)
'0b10'

시프트 연산 서비스 적용 예시

위에서 살펴본 요일 별 알림 서비스를 다시 가져와보자.
이번에는 차례대로 월요일이 0, 화요일이 1, 수요일이 2,,, 일요일이 6이다.
아래와 같이 오른쪽 shift 연산을 통해 2의 n승을 구할 수 있다. 만약 토요일(5)을 예로들면 2⁵인 32란 값이 나온다.

1 << 5
32

요일을 2의 n승으로 바꿀 필요없이 순서대로 숫자를 매기고 시프트 연산을 통해 계산을 할 수 있다.
사용자가 월, 수, 금요일(1 + 4 + 16 = 21)을 골랐다고 했을 때 아래와 같이 연산할 수 있다.

>>> 21 & 1 << 0 #월요일
1
>>> 21 & 1 << 1 #화요일
0
>>> 21 & 1 << 2 #수요일
4

참고로 시프트 연산자와 비트 연산자가 같이 있으면 시프트 연산부터 계산한다!