Python 課程 ── 運算子（Operators）

主題：邏輯運算子（`and`、`or`、`not`）

簡介

在程式的流程控制裡，判斷是最常見的需求**。** 無論是條件分支、迴圈、還是資料驗證，都離不開「真假」的判斷。Python 提供的三個邏輯運算子 and、or、not，正是用來組合與翻轉布林值（True、False）的工具。

掌握這些運算子不僅能讓程式寫得更簡潔，也能避免許多隱藏的錯誤。特別是對初學者來說，了解它們的**短路求值（short‑circuit）機制與真值測試（truthiness）**概念，是寫出可靠程式的關鍵一步。

核心概念

1. 基本語意

運算子	語意說明	真值結果
`and`	兩邊皆為 True 時才為 True，否則為 False	`True and True → True`
`or`	只要有一邊為 True 即為 True，全部為 False 時才是 False	`False or True → True`
`not`	把布林值反轉，`True` 變 `False`，`False` 變 `True`	`not False → True`

注意：and、or 會回傳運算結果的實際物件，而不一定是布林值本身（稍後會說明）。

2. 真值測試（Truthiness）

在 Python 中，任何物件都可以當作布林值使用。以下是常見「假」的值（Falsy）：

False, None, 0, 0.0, 0j, Decimal('0'), Fraction(0, 1), '', (), [], {}, set(), range(0)

只要不是上述這些，皆被視為 True（Truthy）。因此：

>>> [] and 5          # [] 為假，直接回傳 []
[]
>>> [] or 5           # [] 為假，回傳右側 5
5
>>> not []            # [] 為假，取反為 True
True

3. 短路求值（Short‑circuit）

and 與 or 會在判斷到最終結果已確定時提前結束，不會再計算右側的表達式。這個特性常被用來防止例外或延遲計算。

def is_positive(n):
    return n > 0

def safe_divide(a, b):
    # 若 b 為 0，直接回傳 None，避免 ZeroDivisionError
    return b != 0 and a / b

在 b != 0 and a / b 中，若 b != 0 為 False，a / b 就不會被執行。

4. 運算子返回值與優先順序

運算子	優先級（從高到低）
`not`	最高
`and`	中等
`or`	最低

因此：

result = not a and b or c   # 等同於 ((not a) and b) or c

如果想改變預設的結合方式，請使用括號明確分組。

程式碼範例

下面提供 5 個實用範例，說明如何在日常開發中使用邏輯運算子。

範例 1：簡易登入驗證

def login(username: str, password: str) -> bool:
    """檢查使用者名稱與密碼是否同時符合規則。"""
    valid_user = username == "admin"
    valid_pass = password == "S3cure!"
    # 必須同時滿足兩個條件
    return valid_user and valid_pass

print(login("admin", "S3cure!"))   # True
print(login("admin", "wrong"))     # False

這裡 and 把兩個布林條件結合，只有兩者皆為 True 時才回傳 True。

範例 2：使用 `or` 提供預設值

def get_config(key: str, config: dict, default=None):
    """從設定字典取得值，若不存在則回傳預設值。"""
    return config.get(key) or default

settings = {"mode": "debug"}
print(get_config("mode", settings, "production"))   # debug
print(get_config("timeout", settings, 30))          # 30

config.get(key) 若回傳 None（或其他假值），or 會直接回傳右側的 default。

範例 3：短路求值避免除以零

def safe_divide(a: float, b: float):
    """若 b 為 0，回傳 None；否則回傳商。"""
    return b != 0 and a / b   # b 為 0 時右側不會被執行

print(safe_divide(10, 2))   # 5.0
print(safe_divide(10, 0))   # False (可自行改成 None)

透過 and 的短路特性，a / b 只會在 b != 0 為 True 時才會執行。

範例 4：使用 `not` 反轉條件

def is_even(n: int) -> bool:
    """判斷是否為偶數。"""
    return n % 2 == 0

def is_odd(n: int) -> bool:
    """利用 not 直接得到奇數判斷。"""
    return not is_even(n)

print(is_odd(7))   # True
print(is_odd(8))   # False

not 讓我們不必重複寫一次 n % 2 != 0，程式更易讀。

範例 5：複合條件與括號

def can_access(user_role: str, is_active: bool, has_token: bool) -> bool:
    """
    只有在使用者為 admin 且帳號啟用，或持有有效 token 時才允許存取。
    """
    return (user_role == "admin" and is_active) or has_token

print(can_access("admin", True, False))   # True
print(can_access("guest", True, True))    # True
print(can_access("guest", False, False)) # False

這個例子展示了括號的必要性，避免因優先順序產生錯誤的邏輯。

常見陷阱與最佳實踐

陷阱	說明	解決方式
把 `and`/`or` 當成布林運算子	由於它們會回傳實際物件，有時會得到非布林值（如列表、字串）而產生意外結果。	若只需要布林結果，使用 `bool(expr1 and expr2)` 或明確比較 `is True`。
忽略短路求值的副作用	在右側有副作用（例如 I/O）時，可能因左側已決定結果而不會執行，導致程式行為不一致。	明確分離副作用，或使用完整的 `if` 判斷式。
混用 `is` 與 `==` 判斷真假	`is` 檢查物件身份，`==` 檢查等值。對於布林值使用 `is` 沒問題，但對於其他類型會產生錯誤。	只在比較 `True`、`False`、`None` 時使用 `is`；其餘情況使用 `==`。
忘記優先順序	`not` 的優先級最高，若不加括號容易產生「不是 A 且 B」與「不是 (A 且 B)」的差異。	使用括號明確表達意圖，或遵守「先 `not` 再 `and` 再 `or`」的規則。
把空容器視為 `False`	有時需區分「容器空」與「布林值 `False`」的差別，直接使用 `if container:` 可能遮蔽錯誤。	若要檢查是否真的為 `False`，使用 `is False`；若只關心是否有內容，使用 `if container:`。

最佳實踐

明確寫出布林意圖：if is_valid: 比 if is_valid == True: 可讀性更佳。
利用短路求值防止例外：在存取字典或屬性前，先檢查前置條件。
保持條件簡潔：過長的單行條件可拆成多行或使用說明性的變數名稱。
測試真值邊界：特別是自訂類別的 __bool__ / __len__，確保行為如預期。
使用括號提升可讀性：即使優先順序正確，括號也能讓程式碼更易於維護。

實際應用場景

場景	使用的邏輯運算子	為何適合
表單驗證	`and`、`or`、`not`	同時檢查多個欄位、提供預設值、反轉錯誤訊息。
權限控管	`and`、`or`	結合角色、狀態與 token 判斷是否允許存取。
配置讀取	`or`	當環境變數未設定時，使用程式內的預設值。
錯誤容忍	`and`（短路）	只有在前置條件成立時才執行可能拋出例外的程式碼。
資料過濾	`not`、`and`、`or`	篩選符合或排除特定條件的資料列。

例如在 Flask 或 Django 的視圖函式中，常會寫
if user.is_authenticated and (user.is_staff or user.has_perm('app.change_model')):
這裡同時運用了 and、or，清楚表達「必須已登入，且是 staff 或具有特定權限」的邏輯。

總結

邏輯運算子 and、or、not 是 Python 中處理真假判斷的基礎工具。
它們不僅返回布林值，還會回傳實際運算結果的物件，因此要注意真值測試與短路求值的行為。
正確掌握優先順序、括號使用以及真值測試的概念，可避免常見的錯誤與程式漏洞。
在日常開發（表單驗證、權限控管、設定管理、錯誤容忍等）中，善用這三個運算子能讓程式碼更簡潔、可讀且安全。

透過上述說明與範例，你現在應該能自信地在 Python 程式中使用邏輯運算子，寫出更具表達力與韌性的程式碼。祝你寫程式愉快！ 🎉