Mit Python-Operatoren Werte manipulieren und verknüpfen

Python-Operatoren helfen Ihnen dabei, mit Werten (Operanden) zu arbeiten, diese zu verändern oder miteinander zu verknüpfen. Die Operatoren können beispielsweise logisch oder arithmetisch sein.

Ein Operator ist ein Zeichen für eine Operation. Meist kommen Operatoren zum Einsatz, die mehrere Operanden verknüpfen. Für gewöhnlich wird dabei ein neuer Wert gebildet. Die Anwendung eines Operators auf einen einzelnen Operanden modifiziert diesen.

Das wohl einfachste Beispiel für Python-Operatoren ist die Verknüpfung von zwei Zahlen durch den Additions-Operator, d. h. ein Pluszeichen zwischen den Zahlen. Python wertet den Ausdruck aus und gibt den entsprechenden Wert zurück:

Besonders an Python ist, dass als Operatoren neben Symbolen auch kurze Wörter wie „and“, „or“, „is“, „not“ oder „in“ zum Einsatz kommen. Die Kombination von Operatoren und Operanden ergibt einen Ausdruck:

Python kennt verschiedene Klassen von Operatoren. Sie operieren auf unterschiedlichen Typen von Operanden und liefern Resultate eines bestimmten Typs. Die verschiedenen Arten von Python-Operatoren in der Übersicht:

Neben dem Typ der Operanden und des Rückgabewerts werden Operatoren nach deren „Arität“ klassifiziert. Die Arität eines Operators hat nichts mit „arisch“ zu tun. Vielmehr drückt der Begriff aus, wie viele Operanden ein Operator verknüpft. In den meisten Fällen kommen „binäre“ Operatoren mit zwei Operanden zum Einsatz. Ferner gibt es einige „unäre“ Operatoren mit nur einem Operanden sowie einen „ternären“ Operator, der drei Operanden verknüpft:

Grundlegend für den Einsatz der Python-Operatoren ist zudem ein Verständnis der Operator-Präzendenz. Das Konzept ist als „Punkt- vor Strichrechnung“ aus der Arithmetik bekannt. Zur Erinnerung: Der Ausdruck 3 * 8 + 2 wird interpretiert als (3 * 8) + 2 und nicht als 3 * (8 + 2). Wie für das Plus- und das Mal-Zeichen gibt es Präzendenz-Regeln für alle Python-Operatoren. Hier ein Beispiel für einen Ausdruck mit den logischen Operatoren „and“, „or“ und „not“:

Ohne die Präzendenz-Regeln für die involvierten Python-Operatoren zu kennen, lässt sich nicht entscheiden, wie die einzelnen Terme zusammengehören. Werden mehrere Operatoren in einem Ausdruck verwendet, wird es schnell kompliziert. Generell ist es besser, sich nicht auf ein perfektes Verständnis impliziter Regeln zu verlassen. Stattdessen setzt man explizite Klammern ein, um zu verdeutlichen, wie die Terme eines Ausdrucks zusammengehören:

Zum Vergleich dieselben Terme anders gruppiert – die Aussage der beiden Ausdrücke ist unterschiedlich:

Manche Python-Operatoren kommen für mehr als eine Operation zum Einsatz. Ein prominentes Beispiel ist das Pluszeichen; es fungiert als Additions-Operator für Zahlen und gleichzeitig als Konkatenations-Operator zum Verketten von Sequenzen wie Strings und Listen. Wir addieren zwei Zahlen mit dem Additions-Operator:

Mit demselben Operator konkatenieren wir zwei Strings:

Auch Listen konkatenieren wir mit dem Plus-Operator:

Die Mehrfachbelegung des Pluszeichens als Operator spiegelt ein verbreitetes Konzept in der Informatik wider. Man spricht von „überladenen Operatoren“, wenn ein und derselbe Operator je nach Datentyp der Operanden verschiedene Operationen ausführt.

Wie funktionieren überladene Operatoren in Python? Unter der Haube wird ein Operator samt Operanden als Aufruf einer korrespondierenden Funktion interpretiert. Spezifisch wird eine sogenannte Dunder-Methode des ersten Operanden aufgerufen, die den bzw. die weiteren Operanden als Argumente erhält. „Dunder“ steht dabei für „double underscore“, also „doppelte Unterstriche“. So korrespondiert der Plus-Operator zur Dunder-Methode __add__(). Objekte, die eine __add__()-Methode implementieren, lassen sich mit dem Plus-Operator verknüpfen. Dabei ist dem Objekt selbst überlassen, was genau die Verknüpfung konstituiert.

Neben den Dunder-Methoden enthält das operator-ModulFunktionen, die die Funktionalität der Python-Operatoren kapseln. So ruft „operator.add(a, b)“ die Dunder-Methode a.__add__(b) auf, was dem Ausdruck a + b entspricht. Wir führen im weiteren Verlauf des Artikels die Operator-Funktion für jeden Operator soweit vorhanden auf. Der Name der Operator-Funktion korrespondiert zum Namen der entsprechenden Dunder-Methode. Nutzen Sie diese als Referenz zum Implementieren eigener Operator-Funktionalität:

Operatoren nutzen die sogenannte Infix-Notation, die den Operator zwischen den Operanden einsetzt. Demgegenüber kommt beim funktionalen Stil die Prefix-Notation zum Einsatz. Beide Schreibweisen sind äquivalent:

Betrachten wir ein Beispiel. Wir definieren zwei Zahlen und addieren diese jeweils mit dem Operator, der Operator-Funktion und der korrespondierenden Dunder-Methode:

Auch komplexere Ausdrücke lassen sich mit Operator-Funktionen schreiben. Hier die Kombination der Python-Additions- und Gleichheits-Operatoren in Prefix-Notation:

Wir gehen nun auf elf verschiedene Klassen von Python-Operatoren ein.

Pythons arithmetische Operatoren operieren auf Zahlen und erzeugen dabei eine neue Zahl. Mit Ausnahme des unären Plus bzw. Minus handelt es sich durchweg um binäre Operatoren. Hier dargestellt als Übersicht:

Die Modulus-Operation wird standardmäßig eingesetzt, um zu ermitteln, ob eine Zahl gerade ist. Denn eine gerade Zahl geteilt durch zwei hat den Rest null. Wir definieren eine entsprechende Python-Funktion mit dem Modulus-Operator:

Die Matrix-Multiplikation erfordert den Einsatz eines Pakets wie NumPy.

Die Python-Vergleichsoperatoren treffen eine Aussage darüber, wie sich zwei Elemente untereinander ordnen lassen. Sie liefern ein boolesches Resultat und kommen insbesondere für Sortieralgorithmen zum Einsatz:

Pythons logische and- und or-Operatoren verknüpfen mehrere Operanden der booleschen Logik folgend. Als Ergebnis liefern beide Operatoren das jeweils zuletzt evaluierte Objekt zurück. Python‘s logischer not-Operator interpretiert ein Objekt im booleschen Kontext und negiert dessen Wahrheitswert:

Es ist nützlich, sich den Effekt der logischen Operationen an Wahrheitstabellen zu veranschaulichen. Hier dargestellt das logische UND:

Die Operanden der booleschen Python-Operatoren sind keinesfalls auf boolesche Variablen beschränkt. Vielmehr lässt sich jedes Python-Objekt im booleschen Kontext interpretieren. Die folgenden Objekte evaluieren im booleschen Kontext zu False und werden daher als „falsy“ bezeichnet:

Pythons bitweise Operatoren operieren auf Ganzzahlen, die als Bitfolgen interpretiert werden. Mit Ausnahme des bitweisen NOT-Operators handelt es sich durchgehend um binäre Operatoren:

Die bitweisen Operatoren eignen sich für optimierte mathematische Operationen. So entspricht der Links-Shift einer Multiplikation mit einer Zweier-Potenz:

Zum Veranschaulichen der bitweisen AND-, OR- und NOT-Operationen konstruieren wir eine Tabelle der einzelnen Bits. Die Operationen werden mit Hilfe einer Bitmaske auf eine Zahl in Binärdarstellung angewandt:

Pythons bitweiser NOT-Operator invertiert eine Bitfolge. Dabei wird aus jeder 1 eine 0 und umgekehrt. Ferner wird das Vorzeichen der Zahl umgekehrt:

Zuweisungen zählen zu den grundlegenden Anweisungen der meisten Programmiersprachen. Die Python-Zuweisungs-Operatoren binden einen Wert an einen Variablennamen. Neben der Zuweisungs-Anweisung gibt es den neueren „Walross“-Operator, der eine Zuweisung innerhalb eines Ausdrucks ermöglicht. Ferner existiert eine Reihe erweiterter Zuweisungs-Anweisungen, die eine Zuweisung mit einer weiteren Operation kombinieren:

Python kennt erweiterte Zuweisungs-Operatoren für die arithmetischen und bitweisen Operationen. Wir führen diese hier nicht einzeln auf, sondern zeigen lediglich das generelle Muster am Beispiel der erweiterten Konkatenations-Zuweisung. Zunächst dargestellt ein Code, der einem existierenden String einen weiteren Teil anfügt:

Ein äquivalentes Beispiel mit Pythons erweitertem Konkatenations-Operator „+=“ – es wird dasselbe Ergebnis erzielt, aber der Code ist knapper und aussagekräftiger:

Der Python-is-Operator testet, ob zwei Variablen auf dasselbe Objekt im Speicher verweisen. Die Objekt-Identität steht im Unterschied zur Objekt-Gleichheit, welche durch den Python Vergleichsoperator „==“ getestet wird. Das „is“ in Python entspricht in etwa JavaScripts strengem Gleichheitsoperator „===“. Python kennt ferner einen negierten Identitäts-Test mit dem „is not“-Operator:

Schauen wir uns ein paar Beispiele an. Wir erzeugen eine Referenz auf ein Objekt im Speicher. Später erzeugen wir eine weitere Referenz als Alias. Beide Variablen zeigen auf dasselbe Objekt im Speicher, der is-Operator liefert „True“:

Hier erzeugen wir zwei Referenzen auf voneinander unabhängige Objekte im Speicher. Obschon die Objekte gleich sind, sind sie distinkt. Dementsprechend liefert der is-Operator „False“:

Bei Pythons konditionalem Operator handelt es sich um einen weiteren Nutzen der if-else-Schlüsselworte. Der konditionale Operator wird gerne eingesetzt, um in Zuweisungen zwischen zwei möglichen Werten zu unterscheiden. Da der konditionale Operator eine Bedingung und zwei Ausdrücke verknüpft, ist er auch als ternärer Operator bekannt.

Betrachten wir zunächst ein Beispiel unter Nutzung der if-else-Anweisung in Python. Der folgende Code legt Celsius oder Fahrenheit als Einheit für eine Temperaturmessung in Abhängigkeit vom gewählten Messsystem fest:

Unter Nutzung des konditionalen Operators lässt sich der Code zu einer einzelnen Zuweisung vereinfachen:

Neben Strings, Tupeln, Listen und Dictionaries unterstützt Python standardmäßig Mengen als zusammengesetzten Datentyp. Für die üblichen Mengen-Operationen sind überladene Operatoren definiert:

Die Python-Mitgliedschaft-Operatoren „in“ und „not in“ liefern eine Aussage darüber, ob ein Objekt in einer Kollektion enthalten ist.

Die Mitgliedschaft-Operatoren funktionieren mit Iterables und nutzen eine Gleichheitsprüfung, um zu ermitteln, ob das Zielobjekt in der Kollektion enthalten ist:

Unter Einsatz des in-Operators spart man sich, Code der folgenden Form zu schreiben:

In Python dient der Konkatenations-Operator dazu, Sequenzen desselben Typs zu verketten. Als Operator-Symbol kommt das Pluszeichen zum Einsatz.

Schauen wir uns ein paar Beispiele an. Wir verketten zwei Strings, zwei Listen und zwei Tupel:

Beim Vergleich Python vs. PHP unterscheiden sich die Konkatenations-Operatoren der beiden Sprachen. Denn PHP verwendet den Punkt „.“ als Symbol. Dasselbe Beispiel dargestellt in PHP:

Der Python-Index-Operator dient zum Extrahieren eines bestimmten Elements einer Kollektion. Mit dem Slice-Operator lässt sich eine Untersequenz extrahieren.

Pythons Index- und Slice-Operatoren greifen intern auf die Dunder-Methode __getitem__() zurück. Diese wird entweder mit einem numerischen Index oder einem Slice-Objekt aufgerufen:

Der Slice-Operator ist praktisch, denn er erlaubt das Extrahieren einer Untersequenz ohne Einsatz einer Python-For-Loop oder Python-While-Loop. Damit ersparen sich Programmierende, Code der folgenden Form zu schreiben: