C语言运算符&优先级

运算符

优先级这一块即使你用了很久C语言, 如果不刻意记忆, 也是容易搞混的.

C 语言的运算符非常多，一共有 50 多种，可以分成若干类。

算术运算符

算术运算符专门用于算术运算，主要有下面几种。

• +：正值运算符（一元运算符）
• -：负值运算符（一元运算符）
• +：加法运算符（二元运算符）
• -：减法运算符（二元运算符）
• *：乘法运算符
• /：除法运算符
• %：余值运算符

（1）+，-

+和-既可以作为一元运算符，也可以作为二元运算符。所谓“一元运算符”，指的是只需要一个运算数就可以执行。一元运算符-用来改变一个值的正负号。

int x = -12;

上面示例中，-将12这个值变成-12。

一元运算符+对正负值没有影响，是一个完全可以省略的运算符，但是写了也不会报错。

int x = -12;
int y = +x;

上面示例中，变量y的值还是-12，因为+不会改变正负值。

二元运算符+和-用来完成加法和减法。

int x = 4 + 22;
int y = 61 - 23;

（2）*

运算符*用来完成乘法。

int num = 5;
printf("%i\n", num * num); // 输出 25

（3）/

运算符/用来完成除法。注意，两个整数相除，得到还是一个整数。

float x = 6 / 4;
printf("%f\n", x); // 输出 1.000000

上面示例中，尽管变量x的类型是float（浮点数），但是6 / 4得到的结果是1.0，而不是1.5。原因就在于 C 语言里面的整数除法是整除，只会返回整数部分，丢弃小数部分。

如果希望得到浮点数的结果，两个运算数必须至少有一个浮点数，这时 C 语言就会进行浮点数除法。

float x = 6.0 / 4; // 或者写成 6 / 4.0
printf("%f\n", x); // 输出 1.500000

上面示例中，6.0 / 4表示进行浮点数除法，得到的结果就是1.5。

下面是另一个例子。

int score = 5;
score = (score / 20) * 100;

上面的代码，你可能觉得经过运算，score会等于25，但是实际上score等于0。这是因为score / 20是整除，会得到一个整数值0，所以乘以100后得到的也是0。

为了得到预想的结果，可以将除数20改成20.0，让整除变成浮点数除法。

score = (score / 20.0) * 100;

（4）%

运算符%表示求模运算，即返回两个整数相除的余值。这个运算符只能用于整数，不能用于浮点数。

int x = 6 % 4; // 2

负数求模的规则是，结果的正负号由第一个运算数的正负号决定。

11 % -5 // 1
-11 % -5 // -1
-11 % 5 // -1

上面示例中，第一个运算数的正负号（11或-11）决定了结果的正负号。

（5）赋值运算的简写形式

如果变量对自身的值进行算术运算，C 语言提供了简写形式，允许将赋值运算符和算术运算符结合成一个运算符。

• +=
• -=
• *=
• /=
• %=

下面是一些例子。

i += 3;  // 等同于 i = i + 3
i -= 8;  // 等同于 i = i - 8
i *= 9;  // 等同于 i = i * 9
i /= 2;  // 等同于 i = i / 2
i %= 5;  // 等同于 i = i % 5

• 左值右值和数据对象

  数据对象: 用于保存变量或者数组的数据存储区, 用来保存数据的内存空间.

  左值: 用于标识一个特定数据对象的名字或表达式

  对象指的是实际的数据存储, 左值用来表示内存中的对象, 是用来识别或定位这个存储对象的标识符.

  右值: 能赋给可修改的左值的数据.

自增运算符，自减运算符

C 语言提供两个运算符，对变量自身进行+ 1和- 1的操作。

• ++：自增运算符
• --：自减运算符

i++; // 等同于 i = i + 1
i--; // 等同于 i = i - 1

这两个运算符放在变量的前面或后面，结果是不一样的。++var和--var是先执行自增或自减操作，再返回操作后var的值；var++和var--则是先返回操作前var的值，再执行自增或自减操作。

int i = 42;
int j;

j = (i++ + 10);
// i: 43
// j: 52

j = (++i + 10)
// i: 44
// j: 54

上面示例中，自增运算符的位置差异，会导致变量j得到不同的值。这样的写法很容易出现意料之外的结果，为了消除意外，可以改用下面的写法。

/* 写法一 */
j = (i + 10);
i++;

/* 写法二 */
i++;
j = (i + 10);

上面示例中，变量i的自增运算与返回值是分离的两个步骤，这样就不太会出错，也提高了代码的可读性。

关系运算符

C 语言用于比较的表达式，称为“关系表达式”（relational expression），里面使用的运算符就称为“关系运算符”（relational operator），主要有下面6个。

左结合, 同优先级左边的运算符先找操作数, 由左往右依次执行.

优先级较高的:

• > 大于运算符
• < 小于运算符
• >= 大于等于运算符
• <= 小于等于运算符

优先级较低的:

• == 相等运算符
• != 不相等运算符

下面是一些例子。

a == b;
a != b;
a < b;
a > b;
a <= b;
a >= b;

关系表达式的结果, 是个整型值, 而非布尔值. 一般用于条件判断.

关系表达式通常返回0或1，表示真伪。C 语言中，0表示伪，所有非零值表示真。比如，20 > 12返回1，12 > 20返回0。

关系表达式常用于if或while结构。

if (x == 3) {
  printf("x is 3.\n");
}

注意，相等运算符==与赋值运算符=是两个不一样的运算符，不要混淆。有时候，可能会不小心写出下面的代码，它可以运行，但很容易出现意料之外的结果。

if (x = 3) ...

上面示例中，原意是x == 3，但是不小心写成x = 3。这个式子表示对变量x赋值3，它的返回值为3，所以if判断总是为真。

为了防止出现这种错误，有的程序员喜欢将变量写在等号的右边。

if (3 == x) ...

这样的话，如果把==误写成=，编译器就会报错。

/* 报错 */
if (3 = x) ...

另一个需要避免的错误是，多个关系运算符不宜连用。

i < j < k

上面示例中，连续使用两个小于运算符。这是合法表达式，不会报错，但是通常达不到想要的结果，即不是保证变量j的值在i和k之间。因为关系运算符是从左到右计算，所以实际执行的是下面的表达式。

(i < j) < k

上面式子中，i < j返回0或1，所以最终是0或1与变量k进行比较。如果想要判断变量j的值是否在i和k之间，应该使用下面的写法。

i < j && j < k

逻辑运算符

逻辑运算符提供逻辑判断功能，用于构建更复杂的表达式，主要有下面三个运算符。

• !： 逻辑非运算符（改变单个表达式的真伪).
  • 单目运算符, 右结合性, 优先级: ! > && > ||
• &&：逻辑与运算符（两侧的表达式都为真，则为真，否则为伪）。
• ||：逻辑或运算符（两侧至少有一个表达式为真，则为真，否则为伪）。
  • 上面两个双目运算符, 左结合性.

逻辑表达式中, 逻辑运算符的操作数可以是常量, 也可以是变量, 表达式.

逻辑表达式的值是整型.

优先级: ! > 算术运算符 > 关系运算符 > && > || > 赋值 > 逗号

下面是与运算符的例子。

if (x < 10 && y > 20)
  printf("Doing something!\n");

上面示例中，只有x < 10和y > 20同时为真，x < 10 && y > 20才会为真。

下面是否运算符的例子。

if (!(x < 12))
  printf("x is not less than 12\n");

上面示例中，由于否运算符!具有比<更高的优先级，所以必须使用括号，才能对表达式x < 12进行否运算。当然，合理的写法是if (x >= 12)，这里只是为了举例。

对于逻辑运算符来说，任何非零值都表示真，零值表示伪。比如，5 || 0会返回1，5 && 0会返回0。

逻辑运算符还有一个特点，它总是先对左侧的表达式求值，再对右边的表达式求值，这个顺序是保证的。如果左边的表达式满足逻辑运算符的条件，就不再对右边的表达式求值。这种情况称为“短路”。

if (number != 0 && 12/number == 2)

上面示例中，如果&&左侧的表达式（number != 0）为伪，即number等于0时，右侧的表达式（12/number == 2）是不会执行的。因为这时左侧表达式返回0，整个&&表达式肯定为伪，就直接返回0，不再执行右侧的表达式了。

由于逻辑运算符的执行顺序是先左后右，所以下面的代码是有问题的。

while ((x++ < 10) && (x + y < 20))

上面示例中，执行左侧表达式后，变量x的值就已经变了。等到执行右侧表达式的时候，是用新的值在计算，这通常不是原始意图。

• 短路法则

  在表达式 a && b中, 一旦a的结果为假(false, 0), b就不再执行了. 1&&2&&4&&0&&2&&3&&9 = 0

  在表达式 a || b中, 一旦a的结果为真(true, 1), b就不再执行了. 0||0||1||||0||0||0||1 = 1

位运算符

C 语言提供一些位运算符，用来操作二进制位（bit）。 驱动开发最常用到的运算符.

~ & | ^ << >> 六个位运算, 进行某位清零, 置1, 取反, 异或, 状态查询等操作.

C语言中, 用整数来代替逻辑表达式的布尔值.

（1）取反运算符～

取反运算符～是一个一元运算符，用来将每一个二进制位变成相反值，即0变成1，1变成0。

// 返回 01101100
~ 10010011

上面示例中，~对每个二进制位取反，就得到了一个新的值。

注意，~运算符不会改变变量的值，只是返回一个新的值。

（2）与运算符&

与运算符&将两个值的每一个二进制位进行比较，返回一个新的值。当两个二进制位都为1，就返回1，否则返回0。

// 返回 00010001
10010011 & 00111101

上面示例中，两个八位二进制数进行逐位比较，返回一个新的值。

与运算符&可以与赋值运算符=结合，简写成&=。

int val = 3;
val = val & 0377;

// 简写成
val &= 0377;

（3）或运算符|

或运算符|将两个值的每一个二进制位进行比较，返回一个新的值。两个二进制位只要有一个为1（包含两个都为1的情况），就返回1，否则返回0。

// 返回 10111111
10010011 | 00111101

或运算符|可以与赋值运算符=结合，简写成|=。

int val = 3;
val = val | 0377;

// 简写为
val |= 0377;

（4）异或运算符^

异或运算符^将两个值的每一个二进制位进行比较，返回一个新的值。两个二进制位有且仅有一个为1，就返回1，否则返回0。 按位异或, 相同为0, 不同为1. 1^1 0^0 结果为0 1^0结果为1.

// 返回 10101110
10010011 ^ 00111101

异或运算符^可以与赋值运算符=结合，简写成^=。

int val = 3;
val = val ^ 0377;

// 简写为
val ^= 0377;

（5）左移运算符<<

左移运算符<<将左侧运算数的每一位，向左移动指定的位数，尾部空出来的位置使用0填充。

// 1000101000
10001010 << 2

上面示例中，10001010的每一个二进制位，都向左侧移动了两位。

左移运算符相当于将运算数乘以2的指定次方，比如左移2位相当于乘以4（2的2次方）。

左移运算符<<可以与赋值运算符=结合，简写成<<=。

int val = 1;
val = val << 2;

// 简写为
val <<= 2;

（6）右移运算符>>

右移运算符>>将左侧运算数的每一位，向右移动指定的位数，尾部无法容纳的值将丢弃，头部空出来的位置使用0填充。

// 返回 00100010
10001010 >> 2

上面示例中，10001010的每一个二进制位，都向右移动两位。最低的两位10被丢弃，头部多出来的两位补0，所以最后得到00100010。

注意，右移运算符最好只用于无符号整数，不要用于负数。因为不同系统对于右移后如何处理负数的符号位，有不同的做法，可能会得到不一样的结果。

右移运算符相当于将运算数除以2的指定次方，比如右移2位就相当于除以4（2的2次方）。

右移运算符>>可以与赋值运算符=结合，简写成>>=。

int val = 1;
val = val >> 2;

// 简写为
val >>= 2;

• 逻辑移位和算术移位

算术移位, 需要考虑整型的正负. 空出来位, 根据正负不同, 用1还是0来补待定.

逻辑移位, 不需要考虑正负号. 空出来的位一律补零

• 位运算的隐式转换

  << 左操作数是char or short会隐式转换成int

  <<的右操作数也要限制在合法取值范围.

条件运算符

表达式1 ? 表达式2 : 表达式3 如 a > b ? 1 : 0

若表达式1为真, 取表达式2的值, 否则取表达式3的值.

int a = 1, b = 2;
int c = a > b ? 1+2 : 3*4 //c的结果为12

右结合性

如果条件表达式套娃, 先执行右边的.

int a = 1, b = 2;
int c = a>b?2: a<b?3:0; //结果是3 右边的条件表达式先执行.

逗号运算符

逗号运算符用于将多个表达式写在一起，从左到右依次运行每个表达式。

逗号表达式的优先级, 是最低的, 反向登顶.

x = 10, y = 20;

上面示例中，有两个表达式（x = 10和y = 20），逗号使得它们可以放在同一条语句里面。

逗号运算符返回最后一个表达式的值，作为整个语句的值。

int x;
x = 1, 2, 3;

上面示例中，逗号的优先级低于赋值运算符，所以先执行赋值运算，再执行逗号运算，变量x等于1。

运算符结合性

结合性就是一串运算符, 是从左往右依次执行, 还是从右往左依次执行.

当表达式中的运算符优先级相同, 那么运算符就会根据结合性来挑选操作数.

• 左结合与右结合

  左边的运算符先挑选对象, 依次向右执行

  右边的运算符先挑选运算对象, 依次向左执行

  求知顺序和结合性无关, 和编译器有关.

• 右结合的运算符

  单目, 赋值, 条件

运算优先级

优先级指的是，如果一个表达式包含多个运算符，哪个运算符应该优先执行。各种运算符的优先级是不一样的。

表达式中,优先级高的运算符先选择选择操作对象.

优先级用来确定运算符的操作对象, 而不是用来确定运算次序的, 后者是编译器决定的.

C语言优先级共16级, 16级最高 1级最低.

3 + 4 * 5;

上面示例中，表达式3 + 4 * 5里面既有加法运算符（+），又有乘法运算符（*）。由于乘法的优先级高于加法，所以会先计算4 * 5，而不是先计算3 + 4。

如果两个运算符优先级相同，则根据运算符是左结合，还是右结合，决定执行顺序。大部分运算符是左结合（从左到右执行），少数运算符是右结合（从右到左执行），比如赋值运算符（=）。

5 * 6 / 2;

上面示例中，*和/的优先级相同，它们都是左结合运算符，所以从左到右执行，先计算5 * 6，再计算6 / 2。

运算符的优先级顺序很复杂。下面是部分运算符的优先级顺序（按照优先级从高到低排列）。

• 圆括号（()）
• 自增运算符（++），自减运算符（--）
• 一元运算符（+和-）
• 乘法（*），除法（/）
• 加法（+），减法（-）
• 关系运算符（<、>等）
• 赋值运算符（=）

由于圆括号的优先级最高，可以使用它改变其他运算符的优先级。

int x = (3 + 4) * 5;

上面示例中，由于添加了圆括号，加法会先于乘法进行运算。

完全记住所有运算符的优先级没有必要，解决方法是多用圆括号，防止出现意料之外的情况，也有利于提高代码的可读性。

• 16级最高 从左到右结合 后缀

  [] : 数组下标

  (): 函数调用

  .: 成员选择运算

  ->: 间接成员选择运算

  ++ --: 后自增, 后自检 (a++ a--)

  (类型名){值列表}: C99新增的复合字面值

• 15级

  • 从右到左 前缀

    ++ --: 前自增, 前自减(++a --a)

  • 从右到左 一元

    &: 求指针运算

    *: 间接访问

    +: 求原值

    -: 求负值

    ~: 按位取反值

    !: 逻辑非

    sizeof: 求数据类型长度

• 14级 从右到左 一元

  (类型名) : 强制类型转换

• 13级 从左到右 二元

  * / % : 乘 除 求余数

• 12级 从左到右 二元

  + - : 加 减

• 11级 从左到右 二元

  << >>: 移位运算, 左移, 右移

• 10级 从左到右 二元

  < <= : 小于 小于等于

  > >= : 大于, 大于等于

• 9级 从左到右 二元

  == !=: 等于 不等于

• 8级 从左到右 二元

  & : 按位与

• 7级 从左到右 二元

  ^ : 按位异或

• 6级 从左到右 二元

  |: 按位或

• 5级 从左到右 二元

  && : 逻辑与

• 4级 从左到右 二元

  ||: 逻辑或

• 3级 从右到左 三元

  ?: : 条件运算

• 2级 从右到左 二元

  = += -= *= /= %= <<= >>= &= ^= |=: 复制

• 1级(最低) 从左到右 二元

  ,: 顺序求值

记忆:

[] () . -> ++/--(后) (类型名){值列表}

++/-- (前缀)

~, !, 单目, 算术, 关系, 逻辑, 条件, 赋值,逗号 依次递减

位逻辑运算符高于逻辑运算符

易错的优先级

• .优先级高于*

  比如 *p.f 结构体p中, f是个指针. 那这个表达式其实就是*(p.f), 取这个指针里的值.

• .的优先级高于++

  p.age++ 就是(p.age)++

• [] 的优先级高于*

  int *ap[]; 等价于 int* (ap[]);数组里存放的是int *类型的指针

• 函数()优先级高于*

  int* fp(); 指针函数 返回指针.

• 关系运算符 大于 位操作

  a & mask != 0; 等价于 a & (mask != 0);

• 关系运算符 大于 赋值

  c=getchar() != EOF; 等价于 c = (getchar() != EOF)

• 算术运算符 高于 移位运算符

  i << 4 + j; 等价于i << (4+j);

• 逗号运算符优先级最低.

  i = 1, 2, 3*4; i是1, 逗号表达式最后是12.

C语言的序列点

副作用

副作用是指对数据对象或文件的修改

定义一个表达式的目的可能是取得这个表达式的值, 有的表达式有副作用, 有的没有.(++/--)

未定义

包含多个不确定副作用的代码的行为, 称为未定义 . 比如:

int a = 10;
int b = a++ * a++;

上面这两行代码, gcc 下编译b是100, tc下编译b是110.

序列点

程序运行中一个特殊的点, 在该点上, 所有副作用都在进入下一步之前发生.

C标准规定: 在两个序列点之间, 一个对象所保存的值最多只能被修改一次. 而且前一个值只能用于解决将要保存的值. 如果要写入某个对象, 则在同一表达式中, 对该对象的访问应该只局限于计算将要写的值. 只有能在确保修改之前才访问变量的表达式为合法表达式.

在两个序列点之间, 连续两次修改, 并且访问该变量, 会产生不确定性, 产生未定义行为.

a[i] = i++ 这种未定义行为. 只能交给编译器解释.

• 引入序列点的目的

  • 消除编译器解释表达式时的歧义
  • 若序列点不能解决歧义, 就是未定义行为, 编译器自行解释并结算结果.

• 主要序列点

  • 完整表达式的尾部

  • && || ?: 逗号操作符处

    如 if(1+2 || 3*4) 按优先级会先算3*4, 但因为序列点, 会从左到右一次执行, 再根据短路原则.

    1, 2+3, 4*5; 逗号也是先从左开始执行

  • 函数调用时, 实参表内全部参数求值结束, 函数执行第一条指令之前.

如何避免未定义行为

• 确保一个表达式最多只修改一个对象. (对象可以是一个简单变量, 数组成员, 或指针指向的位置)

• 如果一个变量在一个表达式中出现1次以上, 且在表达式中被修改, 则要确保该对象所有的读访问都被用于计算它的最终值. 如 i = i+1;

• 尽量不要在同一个语句中改变同一个变量2次以上.

  如 i=i++; i++ * i++;这个上面举过的反例, 不同编译器结果不同.