[C++知识库]C语言详解：操作符

操作符

分类

算术操作符

移位操作符

位操作符

赋值操作符

单目操作符

关系操作符

逻辑操作符

条件操作符

逗号表达式

下标引用、函数调用和结构成员

算术操作符

	+   -   *   /   %

//1.
int ret = 9 / 2;
printf("%d", ret);//4
//2.
double ret2 = 9 / 2;
printf("%lf", ret2);//4.000000
//3.
double ret3 = 9 / 2.0;
printf("%lf", ret3);//4.500000

从这两个对比可以看出，不是存储的问题，而是计算机里9/2就是等于4，怎么存都是4。

要想得到正确结果，则要改成9.0/2或者9/2.0。

1. / 的两个操作数都为整数时，执行整数除法，只要有浮点数就执行浮点数除法。
2. % 的两个操作数必须为整数，所得结果的范围在 $[0,除数?1]$ 之间。

接下来的移位操作符和位操作符都是较为复杂的，涉及到二进制位。

移位操作符

<<   //左移操作符
>>	 //右移操作符

整数存储规则

移位操作符移动的是二进制位，整数在内存中存储的是二进制补码，移位操作的也是内存中的补码。

整数在内存中的存储：

1. 正数：
   • 原码反码补码相同
2. 负数：
   • 原码：二进制序列
   • 反码：原码符号位不变，其他位按位取反
   • 补码：反码$+1$

左右移位规则

知道二进制位如何转化后，我们再来看移位操作符的移动规则。

1. 左移操作符

左边舍弃，右边补0

int a = 5;
int b = a << 1;

a<<1的意思就是a的补码向左移动一位，正数的原反补相同，所以得补码为00000000 00000000 00000000 00000101 ，向左移动一位得00000000 00000000 00000000 00001010，换算一下就可得到10。

此时a的值还是5，可以类比b=a+1，a并不会发生变化。

int c = -1;
int d = c << 1;

先写出 -1的原码，再取反加一得补码，补码向左移动一位，然后将得到的补码按相同规则换算成原码，就可以得到 -2了。

10000000 00000000 00000000 00000001 - -1的原码
11111111 11111111 11111111 11111110 - -1的反码
11111111 11111111 11111111 11111111 - -1的补码

11111111 11111111 11111111 11111110 - -1<<1的补码
11111111 11111111 11111111 11111101 - 反码
10000000 00000000 00000000 00000010 - 原码 = -2

2. 右移操作符

   右移规则分两种，一种是逻辑右移一种是算术右移。但绝大多数编译器都是采用算术右移。

算术右移：左边补原符号位，右边舍弃

逻辑右移：左边补0，右边舍弃

int a = -1;
printf("%d\n", a >> 1);
//10000000 00000000 00000000 00000001 - 原码
//11111111 11111111 11111111 11111110 - 反码 
//11111111 11111111 11111111 11111111 - 补码
//11111111 11111111 11111111 11111111 - 补码

逻辑右移会把负数搞成整数，所以算术右移显得更正确一些。

值得一提的是，-1的补码右移一位后仍是-1。

补充：

1. 不难发现左移使数据变大，右移使数据变小，左移就是数据$\times 2$，右移即数据$÷2$ 。
2. 左移右移操作数必须为整数。
3. 移位操作符不可移动负数位，即1>>-1，标准未定义行为。

位操作符

&	//按位与	
|   //按位或
^    //按位异或

同样位操作符也是按二进制位。

运算规则

1. 按位与 &

   全1则1，有0则0

2. 按位或 |

   有1则1，全0则0

3. 按位异或 ^

   相同为0，相异为1

通过运算规则可以看出，按位与和按位或和逻辑与、逻辑或还是有异曲同工之妙的。

int a = 3;
int b = -2;
int c = a & b;

//1.求a的补码
100000000 000000000 000000000 000000010 - -2的原码
111111111 111111111 111111111 111111101 - -2的反码
111111111 111111111 111111111 111111110 - -2的补码
//2.求b的补码   
000000000 000000000 000000000 000000011 -  3的原反补相同!!
//3.求a & b 
111111111 111111111 111111111 111111110 - -2的补码
000000000 000000000 000000000 000000011 -  3的补码
000000000 000000000 000000000 000000010 - 所得数的补码!! (全1为1，有0则0) 
//4.转化为原码
000000000 000000000 000000000 000000010 - 正数的原反补相同 

计算方法

1. 求两操作数的补码
2. 计算按位与、或、异或的结果
3. 将所得补码转换成原码

将a和b的补码求出来，然后再按位与、或，得到所得数的补码，再转换成原码。这几步很绕人，前往别被带沟里了。其他两个除了运算规则不一样外，其他都一样。

注意

1. 整数的原反补相同，可别照负数的规范求。
2. 按位与、按位或的结果同样是补码，最后还需转换成原码。

例题

不创建临时变量，实现两数交换。

int a = 10;
int b = 20;
printf("a=%d,b=%d\n", a, b);
//1.
a = a + b;
b = a - b;//(a+b)-b = a
a = a - b;//(a+b)-a = b
printf("a=%d,b=%d\n", a, b);
//溢出风险

//2.
a = a ^ b;
b = a ^ b;//(a ^ b) ^ b = a
a = a ^ b;//(a ^ b) ^ a = b
//可读性差，只支持正数

1. a^b的值再和a异或，则得到b；a^b的值再和b异或，则得到a。
2. a ^ a = 0 a ^ 0 = a
3. (a ^ a) ^ b = b (a ^ b) ^ a = b ，由此也可以说异或支持交换律

用处

给出一个正整数，想知道其（如果是负数的话，就是补码）二进制位最低位是0是1，怎么办？

将这个正整数按位与1，如果所得结果为1则最低位为1，反之则为0。如：

int a = 15;
int b = a & 1;
00000000 00000000 00000000 00001111 - 15原反补相同
00000000 00000000 00000000 00000001 - 1
00000000 00000000 00000000 00000001 - b=1原反补相同

从这个例子可以看出某个正数&1，所得结果为1则最低位为1，反之则为0。如果搭配上>>右移操作符，可以得到每一位的数字。 如：

int num = 15;
int count = 0;
for (int i = 0; i < 32; i++)
{
    if (((num >> i) & 1) == 1){
        count++;
    }
}
printf("%d\n", count);

赋值操作符

=
//复合赋值符
+=   -=   *=   /=   %=   >>=   <<=  		

赋值操作符没什么讲头，我们来看看一些奇葩的东西。

int a = 10;
int x = 0;
int y = 20;
a = x = y+1;//连续赋值

如何理解这个连续赋值呢？

先是把y+1赋值给了x，再把表达式x=y+1的值赋值给了a 。

单目操作符

!		//逻辑反操作
-		//取负
+		//取正
&   	//取地址
sizeof	//操作数的类型长度
~		//按位取反
--		//前后置——
++		//前后置++
*		//解引用操作符
(type)  //强制类型转换

逻辑反操作!

非零即为真，零为假，默认规定 !0=1

取地址操作符& 解引用操作符*

int a = 10;
int* p = &a;//* - 说明p为指针变量 ,& - 说明p中存储的是a的地址
*p = 20;//解引用访问其存储的地址中的内容
printf("%d\n", *p);

数组名作首元素地址问题

int arr[10] = { 0 };
//1.
printf("%p\n", arr + 1);
//2.
printf("%p\n", &arr[0] + 1);
//3.
printf("%p\n", &arr + 1);

arr和arr[0]都是首元素的地址，&arr是整个数组的地址，打印出来都是一样的。但是当他们都+1区别就出现了，前两个加1都是第二个元素的地址，而&arr加1就跳过了整个数组的地址。

拓宽一点，*p放在=左边就是一块空间，而放在=右边就是一个值。

//1.
int b = *p;//这里*p代表值
//2.
*p = b;//这里*p就代表一块空间用以存放值

任何一个变量都可以这样理解，放在=的左边代表一块空间a = 10;，就是左值。放在=右边就是代表值p = a;，即右值。

类型长度操作符sizeof

sizeof计算变量或类型所占内存空间的大小，与其内存中存放的数据是什么无关。

//1.
printf("%d\n", sizeof arr);
//2.
printf("%d\n", strlen(arr));

sizeof strlen() 二者的区别

1. sizeof 是计算所占空间的操作符，不关心存放的数据
2. strlen() 是计算字符串长度的函数，关注存放的数据中的\0 前的字符个数

sizeof 后面的()是表达式的括号，而不是函数调用操作符，正因sizeof 是操作符，所以可以省略。

例题：

int a = 5;
short s = 10;
printf("%d\n", sizeof(s = a + 2));//?
printf("%d\n", s);//?

1. 把int型数据a+2赋值给short型数据s，会发生整型截断，还是short 型的数据。

2. sizeof 内部的表达式是不参与运算的，所以s原来是多少现在还是多少。原因：sizeof内部的运算时再预编译时期处理的，在程序执行期间早已将内部的表达式替换成了数字。

按位取反操作符~

将其二进制位所有位统统取反。

例题

如何将二进制位指定一位1修改为0，0修改为1？

int a = 13;
//00000000 00000000 00000000 00001101 - 13
//00000000 00000000 00000000 00000010 - 1<<1
//00000000 00000000 00000000 00001111 - 15
int b = a | (1<<1);
printf("%d\n", b);

//00000000 00000000 00000000 00001111 - 15
//11111111 11111111 11111111 11111101 - ~(1<<1)
//00000000 00000000 00000000 00001101 - 13
int c = b & (~(1 << 1));
printf("%d\n", c);

该二进制位为0想改为1，则按位或上这么一个数字..00100..。该二进制位为1想改为0，则按位与上这么一个数字..11011..

++ -- 操作符

前置++ --是先使用在修改，后置++ --先修改再使用。

int a = 0;
printf("%d\n", a);
int b = a++;
printf("%d\n", b);
int c = --a;
printf("%d\n", c);

++ --这样使用就可以了，不要去追求一些没用的复杂使用，没人会去那么用的，写代码的目的并不是不让人看懂。如：

int a = 0;
int b=(++a)+(a++)+(a++);

这样的代码再不同的编译器上会跑出不同的结果，没必要在这个上浪费时间。

强制类型转换操作符(type)

int a = (int)3.14;

例题

void test1(int arr[]){
	printf("%d\n", sizeof(arr));//(2)
}
void test2(char ch[]){
	printf("%d\n", sizeof(ch));//(4)
}
int main(){
	int arr[10] = { 0 };
	char ch[10] = { 0 };
	printf("%d\n", sizeof(arr));//(1)
	printf("%d\n", sizeof(ch));//(3)
	test1(arr);
	test2(ch);

	return 0;
}

1. (1) 和 (3) 没问题，数组名单独放在sizeof内，计算的是整个数组的大小，分别是40和10。
2. (2) 和 (4) 是数组名作函数参数。别看表面上是用数组接收，其实是用指针接收的，计算的都是指针的大小。数组名作函数参数，没有可能将数组整个传参过去，编译器自动将其降级优化为指向元素首地址的指针。

关系操作符=

	>	>=   <   <=   !=	==

==和=不一样，如果写错就成赋值了。

逻辑操作符

&&     //逻辑与
||	   //逻辑或	

逻辑操作符只关注真假，逻辑与 && 就是并且，逻辑或 || 就是或者。

逻辑与 && 两边操作数都为真，整个条件才为真，逻辑或 ||两边操作数有一个是真，则整个条件就为真。

例题

int main()
{
int i = 0,a=0,b=2,c =3,d=4;
i = a++ && ++b && d++;
i = a++||++b||d++;
printf("a = %d\n b = %d\n c = %d\nd = %d\n", a, b, c, d);
return 0;
}

短路运算

1. 逻辑与 &&，当左边的表达式为假时，整个条件为假，不再进行运算。
2. 逻辑或 ||，当左边的表达式为真时，整个条件为真，不再进行运算。

i = a++ && ++b && d++，第一步a++=0为假，则整个表达式为假，i=0；i = a++||++b||d++，第二步a++为真，整个表达式为真，后面的表达式也不进行运算了。

条件操作符

exp1 ? exp2 : exp3

表达式exp1的结果为真，执行exp2并将exp2的结果作为整个表达式的结果，反之，则执行exp3并将其赋值给整个表达式。

逗号表达式

exp1, exp2, exp3,...,expN

从左向右依次计算，整个表达式的结果为最后一个表达式的结果。

那既然这样，为什么我们还要计算前面的表达式呢，直接算最后一个不就好了吗？

前面的表达式可能会影响到最后一个表达式的值。如：

int a = 1，b = 2;
int c = (a>b, a=b+10, a, b=a+1);

下标引用、函数调用和结构成员

   []   ()   .   ->

下标引用操作符[]

arr+i即为数组中下标为i的元素的地址。

[]是一个操作符，它的两个操作数分别为数组名和下标，缺一不可。对于arr[i]可理解为*(arr+i)，既然如此我们就可写出：

arr[i] <=> *(arr+i) <=> *(i+arr) <=> i[arr]

int arr[10] = { 0 };
for (int i = 0; i < 10; i++){
    printf("%p --- %p\n", &i[arr], i+arr);
}

这就体现出了[]是个操作符，这样的写法语法是支持的。

函数调用操作符()

printf("%u\n", strlen("abc"));

这里printf和strlen函数都必须带上()，不传参也要带上，不然就错。

对于函数调用操作符()，可以有一个或者两个操作数都可以。

结构成员操作符. ->

. 结构体.成员名

-> 结构体指针 -> 成员名

结构体用于描述一个复杂的对象。

结构体定义

struct Book{
	char name[50];
	char id[15];
	float price;
};

结构体使用

Print(struct Book b1){
	printf("书名为：%s\n", b1.name);
	printf("价格为：%f\n", b1.price);
	printf("书号为：%s\n", b1.id);
}
int main(){
	struct Book b1 = { "谭浩强C语言程序设计",55.5f,"2020322222" };
	Print(b1);
	return 0;
}

使用结构体类型struct Book创建了一个结构体类型的变量b，b中成员有三个name、id和price。

我们还可以后续去修改价格，如：

b1.price = 100.0f;

那我们能不能把书名或者书号都给改了呢？

b1.name = "数据结构";

当然是不行的，我们可以看得出，书名name和书号id都是通过数组创建的。对于他们来说b1.name是数组的首地址。怎么能对地址赋值呢。

那既然是地址的话，我们对地址进行解引用，不就可以访问数组元素了嘛~，我们再试一下。

*(b1.name) = "数据结构";

当然，仍然是不对的，会显示乱码。

那如何结构体变量的数组成员呢，答案是使用库函数strcpy对字符串赋值

strcpy(b1.name, "数据结构");

结构体地址

将变量地址传过去，如何使用呢？

1. (*结构体指针).成员名

Print2(struct Book* pb){
	printf("书名为：%s\n", (*pb).name);
	printf("价格为：%f\n", (*pb).price);
	printf("书号为：%s\n", (*pb).id);
}

2. 结构体指针->成员名

Print3(struct Book* pb){
	printf("书名为：%s\n", pb->name);
	printf("价格为：%f\n", pb->price);
	printf("书号为：%s\n", pb->id);
}

表达式求值

一个表达式在求值时，一部分取决于它的操作符的优先级和结合性，一部分取决于编译器自己的规则。我们写出的表达式一定要让编译器的逻辑与自己的代码逻辑相一致，否则就是没用的代码。与此同时，有一些表达式中的操作数可能需要类型提升。

隐式类型转换

在运算的过程中，一些小字节的类型会向大字节的类型转换后再加以运算，整个过程是编译器自动一次完成的。

整型提升

如，short和char会转化为int，再进行运算。不是说只有不同类型数据运算时才会发生类型转换，而是为适应CPU4个字节的运算器，都会转化为普通整型，这个过程被称为整型提升。只要有运算就会有整型提升。如：

char a=1,b=2,c=3;
...
char d=a+b+c;

如这样的一个例子，先将字符型的a,b,c整型提升为普通整型，然后进行运算，再放到d中，最后再发生截断，只取最后一个字节，转化回为字符型。

如何整型提升

按类型的符号位进行整型提升。如：

char c = -1;
//11111111 11111111 11111111 11111111
//11111111
printf("%d\n",c);
//11111111 11111111 11111111 11111111

有符号数

1. 写出变量的二进制补码
2. 按最高位符号位进行填充
3. 得到的补码再转换成原码

无符号数

最高位填充0

如何得到c的补码？(1)先把c当成int类型然后，写出32位补码，(2)然后进行截断，只得最后8位。(3)最后再按此时的最高位填充，是0就填充0，反之则1。

例题

Example 1

char a = 3;
//00000000 00000000 00000000 00000011 - int a
//00000011 - char a
char b = 127;
//00000000 00000000 00000000 01111111 - int b
//01111111 - char b
char c = a + b;
//00000000 00000000 00000000 00000011 - int a 发生整型提升
//00000000 00000000 00000000 01111111 - int b
//00000000 00000000 00000000 10000010 - int c
//10000010 - char c 发生截断
printf("%d\n", c);
//11111111 11111111 11111111 10000010 - int c - 补码 发生整型提升
//10000000 00000000 00000000 01111110 - int c - 原码 

1. 写出a 和b的32位补码
2. 进行截断，存入内存
3. 整型提升，按最高位进行填充
4. 进行运算
5. 进行截断，再整型提升
6. 将所得补码转换回原码

如：

我们在得到两个变量的二进制码后，对其进行整型提升，再对所得结果进行截断，因为要存入字符型变量c中。又因为要以%d的形式打印变量c，再次对已经截断过的补码（存入内存中的都是补码），进行整型提升，转换成原码。

Example 2

char a = 0xb6;
//10110110
short b = 0xb600;
//10110110 00000000
int c = 0xb6000000;
//10110110 00000000 00000000 00000000
if (a == 0xb6)
	//11111111 11111111 11111111 10110110 
	//10000000 00000000 00000000 01001001
	//10000000 00000000 00000000 01001010 - int a
	//00000000 00000000 00000000 10110110 - 0xb6
	printf("a");
if (b == 0xb600)
	//11111111 11111111 10110110 00000000
	//10000000 00000000 01001001 11111111
	//10000000 00000000 01001010 00000000 - int b
	//00000000 00000000 10110110 00000000 - 0xb600
	printf("b");
if (c == 0xb60000)
	//10110110 00000000 00000000 00000000 - int c
	//10110110 00000000 00000000 00000000 - 0xb6000000
	printf("c");

1. 首先我们写出a，b，c 的二进制补码（都是正数）。
2. 然后发现有运算（==也是运算），只要有运算就要整型提升，整型提升后好巧不巧最高位都是1，默认为负数了。
3. 这样经过原反补转化后无论怎样都是负数，不会和0xb6和0xb600相等的。只有c本身就是默认整型，不用提升。

Example 3

char c = 1;
printf("%u\n", sizeof(c));//1
printf("%u\n", sizeof(+c));//4
printf("%u\n", sizeof(-c));//4

计算sizeof(c)时，没有运算所以没有发生整型提升。取正取负也是运算符，sizeof(±c)时(+c)和(-c)两个表达式发生了整型提升，故变成了四个字节。

算术转换

对于short和char需要整型提升为int，那浮点型，长整型呢？对于这些类型，就不叫整型提升了，叫算术转换。

顺序由高到低，当精度低的类型与精度高的类型相运算时，会将低精度转换为高精度，然后在和高精度数据进行运算。例：

int a = 4;
float f = 4.5f;
f = a + f;
printf("%f\n", f);//8.500000

计算f时需要先把a转化为单精度浮点型。

操作符的属性

表达式的求值有三个影响因素：

1. 操作符的优先级
2. 操作符的结合性
3. 是否控制求值顺序

两个相邻的操作符先执行那个？

先看优先级，优先级相同看结合性。

//表达式1.
a*b+c*d+e*f;
//表达式2
c + --c;
//表达式3
int a = 1;
a=(++i)+(++i)+(++i);

这样的表达式在不同的编译器下，会跑出不同的结果，因为各个编译器的标准不一样。

对于这样的表达式，我们知道操作符的优先级和结合性，但我们依然无法确定表达式计算的唯一路径，所以这样的代码是不好的，宁愿多写几步，规范确定出表达式的唯一执行路径，也不要追求过分的简洁，这不是代码的目的。

总结

我们写出的表达式如果不能通过操作符的属性确定唯一的计算路径，那这个表达式就是存在问题的。