[C++知识库]【手把手带你入门】操作符详解和表达式求值

操作符详解

以下提到的操作符如果在【手把手带你入门】初识C语言（下）中已提及，则这里不再重复赘述。

算术操作符

注意：

1. 上述五个操作符为算术操作符，其中%操作符只能作用于整数，返回的是两数整除之后的余数。其他四个操作符既可作用于整数，也可作用于浮点数。
2. 对于/操作符，如果两个操作数都为整数，则执行整数除法。当操作数中有浮点型操作数时，执行浮点数除法，返回类型为浮点型。

移位操作符

移位操作符，移动的是二进制位。
对于整数的二进制位有3种表示形式：原码、反码、补码。

对于正数：原、反、补码相同
对于负数：
原码 - 直接按照数字的正负写出的二进制序列
反码 - 原码的符号位不变，其他位按位取反
补码 - 反码+1
整数在内存中存储的是二进制的补码

如果我们计算5<<1:

如果计算-1<<1

所以 -1 << 1 = -2。

综上，我们可以说左移是二进制序列向左向左移动，低位补0。那么右移操作符呢？同理右移操作符应该是向右移动，高位补上一个0或1。

但是二进制序列的高位是符号位，所以我们右移之后，高位是符号位，这时候应该补什么呢？

其实右移分为逻辑移位和算数移位：

逻辑右移 - 右边丢弃，左边补0
算术右移 - 右边丢弃，左边补原符号位

对于整数来说，逻辑右移和算术右移是一样的。

那么对于负数呢？我们还是用-1来进行计算

那么对于编译器来说，执行的是算术右移还是逻辑右移呢？

我们只要进行一下计算，看看得到的结果是什么就知道啦！

所以当前编译器（VS2019）采用的是算术右移。
并且绝大多数的编译器进行的都是算术右移。

注意：对于移位操作符，不要移动负数位，这是标准未定义的。

因为它表达的意思很难理解，向右移动-1位是表示向左移动一位的意思吗？还是有其他的意思呢？

这种写法在C语言中没有规定，不同的编译器下也可能会有不同的理解，所以我们在写代码的时候要注意，这样写是不合法的。

另外，移位操作符只作用于整型，所以不论是被移位的数，还是移动的位数，都应该是一个整数。

位操作符

位操作符，实际上是按二进制位进行操作的，所以他们的操作数都必须是整数。

接下来我们还是用一组数来举例：
a=3 b =-2
首先我们分别写出a和b的补码：

a&b：

a|b:

a^b:

那么这些操作符有什么用呢？

例：当我们想看看15的二进制序列的最低位是多少时：

还有更多的应用：
比如计算一个数的二进制序列中有多少个1（结合&和>>操作符）；再比如用来判断一个是奇数还是偶数等等。

一道面试题：不能创建临时变量（第三个变量），实现两个数的交换。


我们可以认为，a ^ b是一个密码。
密码 ^ a就能得到b
密码 ^ b就能得到a

我们还能拓展：

a ^ a=0
0 ^ a=a

a ^ a ^ b=b
a ^ b ^ a=b

因此，我们可以认为^（异或）是支持交换律的
但是我们在日常进行两数交换的时候，还是创建临时变量的方法最好，因为异或的方法有两个局限性：

1. 可读性不高
2. 只适用于整型

赋值操作符

赋值操作符：=

上图写法属于连续赋值，在C语言的语法上是支持的。

但是我们应尽量减少这样写，因为分开写能使我们的代码更简明易懂，并且易于调试。

例如：
a>>=1 即 a=a>>1
这样写能使我们的代码更简洁方便，两种方法都可行。

单目操作符

单目操作符就是只有一个操作数的操作符。

&操作符：

sizeof操作符：
sizeof是单目操作符，用于计算变量或者类型创建变量的内存大小（单位是字节），和内存中存放着什么数据没有关系。

sizeof和数组

关系操作符

关系操作符虽然比较简单，但是我们要注意关系操作符的使用要符合逻辑，避免陷阱。比如在判断相等时把“==”写成“=”。

逻辑操作符

注意：逻辑操作符只关注真假。

条件操作符

条件操作符：exp1 ? exp2 : exp3

注意，这是C语言中唯一的一个三目操作符，整体是一个表达式。

表达式1的结果如果为真，则表达式2的结果是整个表达式的结果，否则表达式3的结果是整个表达式的结果。

逗号操作符

由逗号（,）隔开的一串表达式就是逗号表达式。

逗号表达式会从左向右一次计算，整个逗号表达式的结果是最后一个表达式的结果。

逗号表达式可以这样写：

也可以这样写：

对比以下两段代码：

下标引用、函数调用和结构成员

根据上图，我们应该深刻理解[ ]仅仅是一个操作符，而arr和i是[ ]的两个操作数。

而对于函数调用操作符来说，它可以接收一个或多个操作数，其中第一个操作数是函数名，剩余的操作数是传递给函数的参数。

结构成员访问操作符：
结构体变量.成员名
结构体指针->成员名

表达式求值

结合之前的文章和以上的内容，我们对于C语言中的操作符已经有了一个全面的理解。那么在使用的过程中，操作符是如何影响表达式求值的呢？

我们接下来探讨一下这个问题。

表达式求值的时候受求值顺序的影响，而这些顺序有时候是由操作符的优先级和结合性决定的。

另外，有些表达式的操作数在求值的过程中可能会发生类型的转换，这也会影响表达式的运算。

隐式类型转换

在运算的过程中，可能会存在某些类型转化，是不加任何提示的，自动地悄悄地进行的，这种类型转换我们称之为隐式类型转换。

整型提升

C的整型算术运算总是至少以缺省整型类型的精度来进行的。

为了获得这个精度，表达式中的字符和短整型操作数在使用之前被转换为普通整型，这种转换称为整型提升。

那么为什么要进行整形提升呢？

这是因为，表达式的整型运算要在CPU的相应运算器件中执行，而CPU内整型运算器（ALU）的操作数的字节长度一般就是int的字节长度，同时也是CPU的通用寄存器长度。

通用CPU是难以直接实现两个8比特字节的直接相加运算（虽然机器指令中可能有这种字节相加指令）。

所以，即使是两个char类型的操作数进行运算，在CPU中执行时也要先转换为CPU内整形操作数的标准长度（提升为int或者unsigned int），然后再执行运算。

那么在运算过程中，是如何进行整型提升的呢？

整型提升是按照变量类型的符号位来提升的
即：如果是负数，则高位补1，如果是正数和无符号数，则高位补0

算术转换

除了整型提升，还有一种转换叫算术转换。

即如果一个表达式中有两个不同类型的操作数要进行运算，那么其中一个操作数就会被转换为另一个操作数的类型，这种转换就称为算术转换。

long double
double
float
unsigned long int
long int
unsigned int
int

以上类型的精度从上往下依次降低，所以如果某个操作数在运算时精度较低，则会被算术转换为另一个精度更高的操作数的类型。

操作符的属性

其实操作符除了以上两种隐式类型转换，还有以下三种影响表达式求值的因素。

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哪个？

取决于他们的优先级。

如果两者的优先级相同，则取决于他们的结合性。

第三个因素：是否控制求值顺序。

大部分的操作符都是不控制求值顺序的，只有以下4个操作符控制求值顺序：

逻辑与 &
逻辑或 |
条件操作符 ? :
逗号操作符 ,

逻辑与：当表达式的左边为假时，整个表达式的结果为假，后面的表达式就不用计算了。

逻辑或 ：当表达式的左边为真时，整个表达式的结果为真，后面的表达式也不用计算了。

条件操作符：当第一个表达式的结果为真时，第二个表达式的结果为整个表达式的结果，否则第三个表达式的结果为整个表达式的结果。也控制了表达式的求值顺序。

逗号表达式：虽然表达式从左往右依次计算，但是最后一个表达式的结果才是整个表达式的结果。这也被认为是控制了求值顺序。

但是我们要注意，并不是只要掌握了表达式的优先级、结合性等等属性和隐式类型转换，我们在写表达式的时候仍然要注意，避免写出一些有问题的表达式。

比如下面这段代码：

只要代码的执行路径不是唯一的，就是一段有问题的代码。

像上面的这段代码，我们完全可以把它分开来写，让代码简单明晰。

同样地，以下这段代码在不同的编译器下会计算出不同的结果。

因为这段代码拥有的计算路径不唯一，当不同的编译器进行计算的时候，他们执行计算的路径就可能不一样，因此产生出不同的结果。

所以，即使我们掌握了各种操作符的使用方法和注意事项，仍然要注意，永远不要写出上面这些有问题的代码噢~

今天的文章就到这里啦！~

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