Python-Operatoren: Überblick und Erklärung

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.

Inhaltsverzeichnis

Was sind Python-Operatoren und wie funktionieren sie?
Python-Operatoren im Überblick

Was sind Python-Operatoren und wie funktionieren sie?

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:

1 + 1

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:

1 + 1 == 2

Welche Arten von Python-Operatoren gibt es?

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:

Klassen von Python-Operatoren	Erklärung	Operanden	Resultat	Operatoren im Überblick
Arithmetische Operatoren	Verknüpfen zwei Zahlen zu einer neuen Zahl	Zahlen	Zahl	+, -, , /, //, %, *, @
Vergleichsoperatoren	Vergleichen zwei Ausdrücke miteinander	Ausdrücke	Bool	<, >, ==, !=, <=, >=
Logische Operatoren	Verknüpfen Ausdrücke im booleschen Kontext	Ausdrücke	zuletzt evaluierter Ausdruck / Bool	and, or, not
Bitweise Operatoren	Manipulieren Ganzzahlen als Binärfolgen	Zahlen	Zahl	<<, >>, &, \|, ^, ~
Zuweisungs-Operatoren	Weisen Wert einem Namen zu	Lvalue, Rvalue	– / evaluierter Ausdruck	=, :=, +=, -=, *=, etc.
Identitäts-Operatoren	Feststellen, ob zwei Namen auf dasselbe Objekt verweisen	Objekte	Bool	is, is not
Konditionaler Operator	Gibt in Abhängigkeit einer Kondition einen von zwei Werten zurück	Ausdruck, Bedingung, Alternative	Ausdruck / Alternative	... if ... else ...
Mengen-Operatoren	Verknüpfen zwei Mengen / Vergleichen Mengen	Mengen	Menge / Bool	&, \|, ^, -, <, >, <=, >=
Mitgliedschaft-Operatoren	Testen, ob ein Iterable ein bestimmtes Objekt enthält	Objekt, Iterable	Bool	in, not in
Konkatenations-Operator	Verkettet Sequenzen	Strings / Listen / Tupel	String / Liste / Tupel	+
Index- und Slice-Operatoren	Liefern ein oder mehrere Elemente eines Iterable	Iterable, Index / Slice	String / Liste / Tupel	[], [::]

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:

Operator-Arität	Anzahl an Operanden	Beispiel
Unär	Ein Operand	not single_value
Binär	Zwei Operanden	left_operand + right_operand
Ternär	Drei Operanden	some_value if condition else other_value

Operator-Präzendenz beachten

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“:

if is_user and is_user_logged_in or is_admin and not login_blocked:
    ...

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:

if (is_user and is_user_logged_in) or (is_admin and not login_blocked):
    ...

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

if (is_user and is_user_logged_in or is_admin) and not login_blocked:
    ...

Überladene Operatoren, Dunder-Methods und Python-Operator-Funktionen

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:

8 + 3 == 11

Mit demselben Operator konkatenieren wir zwei Strings:

"Walter" + "White" == "WalterWhite"

Auch Listen konkatenieren wir mit dem Plus-Operator:

['Jack', 'Jim'] + ['John'] == ['Jack', 'Jim', 'John']

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-Modul Funktionen, 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:

Python-Operator	Operator-Funktion	Dunder-Methode
a + b	operator.add(a, b)	a.__add__(b)

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:

Notation	Verwendung	Beispiel
Infix	Operatoren	a + b
Prefix	Funktionen	+ a b / add(a, b)

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

import operator

a = 42
b = 69

assert a + b == operator.add(a, b) == a.__add__(b)

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

import operator

assert 'Py' + 'thon' == 'Python'

assert operator.eq(operator.add('Py', 'thon'), 'Python')

Python-Operatoren im Überblick

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

Arithmetische Operatoren

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:

Python-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
+	Addition / unäres Plus	add(a, b) / pos(a)	5 + 3 == 8 / +8 == 4 + 4
-	Subtraktion / unäres Minus	sub(a, b) / neg(a)	7 - 2 == 5 / -4 == 2 - 6
*	Multiplikation	mul(a, b)	2 * 3 == 6
/	„Echte“ Division	truediv(a, b)	8 / 2 == 4.0, 7 / 2 == 3.5
//	Integer-Division zur nächstkleineren Ganzzahl	floordiv(a, b)	8 // 2 == 4, 7 // 2 == 3
%	Modulus: Restbetrag der Integer-Division	mod(a, b)	8 % 2 == 0, 7 % 2 == 1
**	Exponentation	pow(a, b)	2 3 == 8, 10 -1 == 0.1
@	Matrix-Multiplikation	matmul(a, b)	–

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:

def is_even(number):
    return number % 2 == 0

# test
assert is_even(8) and not is_even(7)

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

Python-Vergleichsoperatoren

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:

Python-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
<	Kleiner als	lt(a, b)	3 < 1, 'a' < 'z'
>	Größer als	gt(a, b)	4 > 2, 'z' > 'a'
==	Gleich	eq(a, b)	'a' == 'a'
!=	Ungleich	ne(a, b)	1 != 2, 'Jim' != 'Jack'
<=	Kleiner gleich	le(a, b)	9 <= 10, 10 <= 10
>=	Größer gleich	ge(a, b)	11 >= 10, 10 >= 10

Logische Operatoren

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:

Python-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
and	Logisches UND	keine direkte Entsprechung	True and False == False, 'name' and ... == ...
or	Logisches ODER	keine direkte Entsprechung	False or True == True, a = '' or 'Default'; assert a == 'Default'
not	Verneinung	not_(a)	not True == False

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

and	True	False
True	True	False
False	False	False

Sowie das logische ODER:

or	True	False
True	True	True
False	True	False

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:

Objekt	Erläuterung
False, None	Konstanten, die der Definition nach False sind
0, 0.0, Decimal(0), Fraction(0, 1), etc.	Zahl, die null repräsentiert
'', (), [], {}, set(), range(0), etc.	Leere Sequenz oder Kollektion

Bitweise Operatoren

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

Python-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
<<	Bitfolge nach links schieben	lshift(a, b)	5 << 3 == 5 * 2 ** 3
>>	Bitfolge nach rechts schieben	rshift(a, b)	1 >> 1 == 0, 8 >> 1 == 4
&	Zwei Bitfolgen per AND verknüpfen	and_(a, b)	``
		Zwei Bitfolgen per OR verknüpfen	or_(a, b)	``
^	Zwei Bitfolgen per XOR verknüpfen	xor(a, b)	``
~	Bitfolge mit NOT invertieren	invert(a)	``

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

Ausdruck	23 = 8	22 = 4	21 = 2	20 = 1	Dezimal
b = 6	0	1	1	0	6
b << 1	1	1	0	0	12
b >> 1	0	0	1	1	3

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:

Ausdruck	23 = 8	22 = 4	21 = 2	20 = 1	Dezimal
bits = 6	0	1	1	0	6
mask = 5	0	1	0	1	5
bits & mask	0	1	0	0	4
bits \| mask	0	1	1	1	7
bits ^ mask	0	0	1	1	3

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

Ausdruck	23 = 8	22 = 4	21 = 2	20 = 1	Dezimal
b = 6	0	1	1	0	6
~ b	1	0	0	1	-7

Zuweisungs-Operatoren

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-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
=	Zuweisungs-Anweisung	keine direkte Entsprechung	name = 'Walther'
:=	Zuweisungs-Ausdruck („Walross“-Operator)	keine direkte Entsprechung	[ half for x in range(10) if (half := x / 2) < 5 ]
+=	Erweiterte Additions-Zuweisung	iadd(a, b)	x = 1; x += 4; assert x == 5

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:

name = 'Walther'
name = name + 'White'
assert name == 'WaltherWhite'

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

name  = 'Walther'
name += 'White'
assert name == 'WaltherWhite'

Identitäts-Operatoren

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:

Python-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
is	Identitäts-Test	is_(a, b)	a = 42; b = a; assert a is b
is not	Negierter Identitäts-Test	is_not(a, b)	assert [42] is not [42]

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“:

# assign value to name
a = [42]
# reference existing object
b = a
# if this holds
assert a is b
# so will this
assert a == b

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“:

# assign the same value to different names
a = [42]
b = [42]
# `a`, `b` are two different objects
assert a is not b
# that contain the same value
assert a == b

Konditionaler Operator

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.

Python-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
... if ... else ...	Konditionaler Ausdruck	keine direkte Entsprechung	name = 'Jim' if age == 42 else 'Jack'

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:

if system == 'metric':
    unit = 'C'
else:
    unit = 'F'

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

unit = 'C' if system == 'metric' else 'F'

Python-Mengen-Operatoren

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

Python-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
&	Vereinigung von zwei Mengen bilden	and_(a, b)	{'a', 'b'} & {'a', 'c'} == {'a'}
		Schnittmenge von zwei Mengen bilden	or_(a, b)	{'a', 'b'}	{'a', 'c'} == {'a', 'c', 'b'}
^	Symmetrische Differenz von zwei Mengen bilden	xor(a, b)	{'a', 'b'} ^ {'a', 'c'} == {'c', 'b'}
-	Differenz von zwei Mengen bilden	sub(a, b)	{'a', 'b'} - {'a'} == {'b'}
>	Testen, ob Menge eine echte Übermenge ist	gt(a, b)	assert {'a', 'b'} > {'a'}
>=	Testen, ob Menge eine Übermenge ist	ge(a, b)	assert {'a'} >= {'a'}
<	Testen, ob Menge eine echte Untermenge ist	lt(a, b)	assert {'a'} < {'a', 'b'}
<=	Testen, ob Menge eine Untermenge ist	le(a, b)	assert {'a'} <= {'a'}

Python-Mitgliedschaft-Operatoren

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

Python-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
in	Testet, ob ein Objekt in einem Iterable enthalten ist	contains(a, b)	'y' in 'Python'
not in	Negierung des in-Operators	not contains(a, b)	'x' not in 'Python'

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

'Py' in 'Python'
'Px' not in 'Python'

'Jack' in ['Jim', 'Jack']

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

def my_in(target, collection):
    for element in collection:
        if element == target:
            return True
    return False

# test
word = 'Python'
letter = 'y'
assert (my_in(letter, word)) == (letter in word)

Konkatenations-Operator

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

Python-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
+	Verkettet zwei Sequenzen	add(a, b)	['Jim'] + ['Jack', 'John']

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

assert "Walter" + "White" == 'WalterWhite'

assert ['a', 'b'] + ['c'] == ['a', 'b', 'c']

assert ('q', 'r') + ('s', 't') == ('q', 'r', 's', 't')

Python findet Verwendung als Internet-Programmiersprache. In diesem Zusammenhang kommt der Konkatenations-Operator zum Einsatz, um HTML-Tags zusammenzusetzen:

site_title = 'Welcome'
print('<h1>' + site_title + '</h1>')

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:

$siteTitle = 'Welcome';
echo '<h1>' . $siteTitle . '</h1>';

Index- und Slice-Operatoren

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

Python-Operator	Bedeutung	Operator-Funktion	Beispiel
iterable[index]	Liefert das unter dem Index befindliche Element eines Iterable	getitem(iterable, index)	'Python'[1] == 'y'
sequence[start:stop:step]	Liefert ein Slice einer Sequenz	getitem(iterable, slice(start, stop, step))	'Python'[0:1] == 'Py', 'Python'[0:-1:2] == 'Pto'

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:

names = ['Jim', 'Jack', 'John']
names[0] == names.__getitem__(0)
names[0:2] == names.__getitem__(slice(0, 2))

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:

word = 'Python'
start, stop, step = 0, 5, 2
index, substring = start, ''
while index in range(start, stop, step):
    substring += word[index]
    index += step

# test
assert substring == word[start:stop:step]