操作符详解
- 前言
- 1. 操作符的分类
- 2. 二进制和进制转换
- 2.1 2进制转10进制
- 2.1.1 10进制转2进制数字
- 2.2 2进制转8进制和16进制
- 2.2.1 2进制转8进制
- 2.2.2 2进制转16进制
- 3. 原码、反码、补码
- 4. 移位操作符
- 4.1 左移操作符
- 4.2 右移操作符
- 5. 位操作符：&、|、^、~
- 6. 单目操作符
- 7. 逗号表达式
- 8. 下标访问[]、函数调用()
- 8.1 [ ] 下标引用操作符
- 8.2 函数调用操作符
- 9. 结构成员访问操作符
- 9.1 结构体
- 9.1.1 结构的声明
- 9.1.2 结构体变量的定义和初始化
- 9.2 结构成员访问操作符
- 9.2.1 结构体成员的直接访问
- 9.2.2 结构体成员的间接访问
- 10. 操作符的属性：优先级、结合性
- 10.1 优先级
- 10.2 结合性
- 10.3 优先级大全
- 11. 表达式求值
- 11.1 整型提升
- 11.2 算术转换
- 11.3 问题表达式解析
- 11.3.1 表达式1
- 11.3.2 表达式2
- 11.3.3 表达式3
- 11.3.4 表达式4
- 11.3.5 表达式5:
- 总结
前言
C语言操作符指的是程序中用来进行各种计算、逻辑和条件操作的符号或符号组合。
1. 操作符的分类
- 算术操作符：
+ 、- 、* 、/ 、% - 移位操作符：
<< >> - 位操作符：
& | ^ - 赋值操作符：
= 、+= 、 -= 、 *= 、 /= 、%= 、<<= 、>>= 、&= 、|= 、^= ? - 单目操作符：
！、++、--、&、*、+、-、~ 、sizeof、(类型) - 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：
( ) - 结构成员访问：
. 、->
2. 二进制和进制转换
其实我们经常能听到2进制、8进制、10进制、16进制这样的讲法，那是什么意思呢？其实2进制、8进 制、10进制、16进制是数值的不同表示形式而已。
比如：数值15的各种进制的表示形式：
15的2进制：1111
15的8进制：17
15的10进制：15
15的16进制：F
我们重点介绍一下二进制：
首先我们还是得从10进制讲起，其实10进制是我们生活中经常使用的，我们已经形成了很多尝试：
- 10进制中满10进1
- 10进制的数字每一位都是0~9的数字组成
其实二进制也是一样的
- 2进制中满2进1
- 2进制的数字每一位都是0~1的数字组成
那么 1101 就是二进制的数字了。
2.1 2进制转10进制
其实10进制的123表示的值是一百二十三，为什么是这个值呢？其实10进制的每一位是权重的，10进 制的数字从右向左是个位、十位、百位…，分别每一位的权重是100, 101, 102… 如下图：
10进制123每一位权重的理解
2进制和10进制是类似的，只不过2进制的每一位的权重，从右向左是:2 0, 2 1, 2 2… 如果是2进制的1101，该怎么理解呢？
2进制1101每一位权重的理解
2.1.1 10进制转2进制数字
10进制转2进制
2.2 2进制转8进制和16进制
2.2.1 2进制转8进制
8进制的数字每一位是0 ~ 7的，0 ~ 7的数字，各自写成2进制，最多有3个2进制位就足够了，比如7的二进制是111，所以在2进制转8进制数的时候，从2进制序列中右边低位开始向左每3个2进制位会换算一 个8进制位，剩余不够3个2进制位的直接换算。
如：2进制的01101011，换成8进制：0153，0开头的数字，会被当做8进制。
2.2.2 2进制转16进制
16进制的数字每一位是0 ~ 9,a ~ f 的，0~9,a ~f的数字，各自写成2进制，最多有4个2进制位就足够了， 比如 f 的二进制是1111，所以在2进制转16进制数的时候，从2进制序列中右边低位开始向左每4个2进 制位会换算一个16进制位，剩余不够4个二进制位的直接换算。
如：2进制的01101011，换成16进制：0x6b，16进制表示的时候前面加0x
3. 原码、反码、补码
整数的2进制表示方法有三种，即原码、反码和补码
有符号整数的三种表示方法均有符号位和数值位两部分，2进制序列中，最高位的1位是被当做符号位，剩余的都是数值位。
符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”。
正整数的原、反、补码都相同。
负整数的三种表示方法各不相同。
- 原码：直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制得到的就是原码。
- 反码：将原码的符号位不变，其他位依次按位取反就可以得到反码。
- 补码：反码+1就得到补码。
反码得到原码也是可以使用：取反，+1的操作。
对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。
在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储。原因在于，使用补码，可以将符号位和数值域统一处理；
同时，加法和减法也可以统一处理（CPU只有加法器）此外，补码与原码相互转换，其运算 过程是相同的，不需要额外的硬件电路。
4. 移位操作符
<< 左移操作符
>> 右移操作符
注：移位操作符的操作数只能是整数。
4.1 左移操作符
移位规则：左边抛弃、右边补0
#include <stdio.h>
int main()
{
int num = 10;
int n = num<<1;
printf("n= %d\n", n);
printf("num= %d\n", num);
return 0;
}
4.2 右移操作符
移位规则：首先右移运算分两种：
- 逻辑右移：左边用0填充，右边丢弃
- 算术右移：左边用原该值的符号位填充，右边丢弃
#include <stdio.h>
int main()
{
int num = 10;
int n = num>>1;
printf("n= %d\n", n);
printf("num= %d\n", num);
return 0;
}
对于移位运算符，不要移动负数位，这个是标准未定义的。
int num = 10;
num>>-1; //error
5. 位操作符：&、|、^、~
位操作符有：
& //按位与
| //按位或
^ //按位异或
~ //按位取反
他们的操作数必须是整数。
#include <stdio.h>
int main()
{
int num1 = -3;
int num2 = 5;
printf("%d\n", num1 & num2);
printf("%d\n", num1 | num2);
printf("%d\n", num1 ^ num2);
printf("%d\n", ~0);
return 0;
}
一道变态的面试题：
不能创建临时变量（第三个变量），实现两个数的交换。
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
a = a^b;
b = a^b;
a = a^b;
printf("a = %d b = %d\n", a, b);
return 0;
}
练习1：编写代码实现：求一个整数存储在内存中的二进制中1的个数。
#include <stdio.h>
int main()
{
int num = 10;
int count= 0; //计数
while(num)
{
if(num%2 == 1)
count++;
num = num/2;
}
printf("⼆进制中1的个数 = %d\n", count);
return 0;
}
//思考这样的实现⽅式有没有问题？
//⽅法2：
#include <stdio.h>
int main()
{
int num = -1;
int i = 0;
int count = 0; //计数
for(i=0; i<32; i++)
{
if( num & (1 << i) )
count++;
}
printf("⼆进制中1的个数 = %d\n",count);
return 0;
}
//思考还能不能更加优化，这⾥必须循环32次的。
//⽅法3：
#include <stdio.h>
int main()
{
int num = -1;
int i = 0;
int count = 0; //计数
while(num)
{
count++;
num = num&(num-1);
}
printf("⼆进制中1的个数 = %d\n",count);
return 0;
}
练习2：二进制位置0或者置1
编写代码将13二进制序列的第5位修改为1，然后再改回0
13的2进制序列： 00000000000000000000000000001101
将第5位置为1后：00000000000000000000000000011101
将第5位再置为0：00000000000000000000000000001101
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 13;
a = a | (1<<4);
printf("a = %d\n", a);
a = a & ~(1<<4);
printf("a = %d\n", a);
return 0;
}
6. 单目操作符
单目操作符有这些：
！、++、--、&、*、+、-、~ 、sizeof、(类型)
7. 逗号表达式
exp1, exp2, exp3, …expN
逗号表达式，就是用逗号隔开的多个表达式。
逗号表达式，从左向右依次执行。整个表达式的结果是最后一个表达式的结果。
//代码1
int a = 1;
int b = 2;
int c = (a>b, a=b+10, a, b=a+1); //逗号表达式c是多少？
//代码2
if (a =b + 1, c=a / 2, d > 0)
//代码3
a = get_val();
count_val(a);
while (a > 0)
{
//业务处理
a = get_val();
count_val(a);
}
如果使用逗号表达式，改写：
while (a = get_val(), count_val(a), a>0)
{
//业务处理
}
8. 下标访问[]、函数调用()
8.1 [ ] 下标引用操作符
操作数：一个数组名 + 一个索引值
int arr[10]; //创建数组
arr[9] = 10; //实用下标引用操作符。
[ ]的两个操作数是arr和9。
8.2 函数调用操作符
接受一个或者多个操作数：第一个操作数是函数名，剩余的操作数就是传递给函数的参数。
#include <stdio.h>
void test1()
{
printf("hehe\n");
}
void test2(const char *str)
{
printf("%s\n", str);
}
int main()
{
test1(); //这⾥的()就是作为函数调⽤操作符。
test2("hello bit."); //这⾥的()就是函数调⽤操作符。
return 0;
}
9. 结构成员访问操作符
9.1 结构体
C语言已经提供了内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，但是只有这些内置类 型还是不够的，假设我想描述学生，描述一本书，这时单一的内置类型是不行的。描述一个学生需要 名字、年龄、学号、身高、体重等；描述一本书需要作者、出版社、定价等。C语言为了解决这个问 题，增加了结构体这种自定义的数据类型，让程序员可以自己创造适合的类型。
结构是⼀些值的集合，这些值称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量，
如：标量、数组、指针，甚⾄是其他结构体。
9.1.1 结构的声明
struct tag
{
member-list;
}variable-list;
描述一个学生：
struct Stu
{
char name[20]; //名字
int age; //年龄
char sex[5]; //性别
char id[20]; //学号
}; //分号不能丢
9.1.2 结构体变量的定义和初始化
//代码1：变量的定义
struct Point
{
int x;
int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1
struct Point p2; //定义结构体变量p2
//代码2:初始化。
struct Point p3 = {10, 20};
struct Stu //类型声明
{
char name[15]; //名字
int age; //年龄
};
struct Stu s1 = {"zhangsan", 20}; //初始化
struct Stu s2 = {.age=20, .name="lisi"}; //指定顺序初始化
//代码3
struct Node
{
int data;
struct Point p;
struct Node* next;
}n1 = {10, {4,5}, NULL}; //结构体嵌套初始化
struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL}; //结构体嵌套初始化
9.2 结构成员访问操作符
9.2.1 结构体成员的直接访问
结构体成员的直接访问是通过点操作符（.）访问的。点操作符接受两个操作数。如下所示：
#include <stdio.h>
struct Point
{
int x;
int y;
}p = {1,2};
int main()
{
printf("x: %d y: %d\n", p.x, p.y);
return 0;
}
使用方式：结构体变量.成员名
9.2.2 结构体成员的间接访问
有时候我们得到的不是一个结构体变量，而是得到了一个指向结构体的指针。如下所示：
#include <stdio.h>
struct Point
{
int x;
int y;
};
int main()
{
struct Point p = {3, 4};
struct Point *ptr = &p;
ptr->x = 10;
ptr->y = 20;
printf("x = %d y = %d\n", ptr->x, ptr->y);
return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <string.h>
struct Stu
{
char name[15]; //名字
int age; //年龄
};
void print_stu(struct Stu s)
{
printf("%s %d\n", s.name, s.age);
}
void set_stu(struct Stu* ps)
{
strcpy(ps->name, "李四");
ps->age = 28;
}
int main()
{
struct Stu s = { "张三", 20 };
print_stu(s);
set_stu(&s);
print_stu(s);
return 0;
}
10. 操作符的属性：优先级、结合性
C语言的操作符有2个重要的属性：优先级、结合性，这两个属性决定了表达式求值的计算顺序。
10.1 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。
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 。
10.2 结合性
如果两个运算符优先级相同，优先级没办法确定先计算哪个了，这时候就看结合性了，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多，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），建议记住这些操作符的优先级就行，其他操作符在使用的时候查看下面表格就可以了。
- 圆括号（
()） - 自增运算符（
++），自减运算符（--） - 单目运算符（
+ 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。
10.3 优先级大全
| 优先级 | 运算符 | 名称或含义 | 使用形式 | 结合方向 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | [ ] | 数组下标 | 数组名[常量表达式] | 左到右 | – |
| 1 | () | 圆括号 | (表达式）/函数名(形参表) | 左到右 | – |
| 1 | . | 成员选择（对象） | 对象.成员名 | 左到右 | – |
| 1 | -> | 成员选择（指针） | 对象指针->成员名 | 左到右 | – |
| – | – | – | – | – | – |
| 2 | - | 负号运算符 | -表达式 | 右到左 | 单目运算符 |
| 2 | ~ | 按位取反运算符 | ~表达式 | 右到左 | 单目运算符 |
| 2 | ++ | 自增运算符 | ++变量名/变量名++ | 右到左 | 单目运算符 |
| 2 | – | 自减运算符 | –变量名/变量名– | 右到左 | 单目运算符 |
| 2 | * | 取值运算符 | *指针变量 | 右到左 | 单目运算符 |
| 2 | & | 取地址运算 | &变量名 | 右到左 | 单目运算符 |
| 2 | ! | 逻辑非运算符 | !表达式 | 右到左 | 单目运算符 |
| 2 | (类型) | 强制类型转换 | (数据类型)表达式 | 右到左 | – |
| 2 | sizeof | 长度运算符 | sizeof(表达式) | 右到左 | – |
| – | – | – | – | – | – |
| 3 | / | 除 | 表达式/表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 3 | * | 乘 | 表达式*表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 3 | % | 余数（取模） | 整型表达式%整型表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| – | – | – | – | – | – |
| 4 | + | 加 | 表达式+表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 4 | - | 减 | 表达式-表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| – | – | – | – | – | – |
| 5 | << | 左移 | 变量<<表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 5 | >> | 右移 | 变量>>表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| – | – | – | – | – | – |
| 6 | > | 大于 | 表达式>表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 6 | < | 小于 | 表达式<表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 6 | <= | 小于等于 | 表达式<=表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| – | – | – | – | – | – |
| 7 | == | 等于 | 表达式==表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 7 | = | 不等于 | 表达式!= 表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| – | – | – | – | – | – |
| 8 | & | 按位与 | 表达式&表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 9 | ^ | 按位异或 | 表达式^表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 10 | | | 按位或 | 表达式|表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 11 | && | 逻辑与 | 表达式&&表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| 12 | || | 逻辑或 | 表达式||表达式 | 左到右 | 双目运算符 |
| – | – | – | – | – | – |
| 13 | ?: | 条件运算符 | 表达式1?表达式2: 表达式3 | 右到左 | 三目运算符 |
| – | – | – | – | – | – |
| 14 | = | 赋值运算符 | 变量=表达式 | 右到左 | – |
| 14 | /= | 除后赋值 | 变量/=表达式 | 右到左 | – |
| 14 | *= | 乘后赋值 | 变量*=表达式 | 右到左 | – |
| 14 | %= | 取模后赋值 | 变量%=表达式 | 右到左 | – |
| 14 | += | 加后赋值 | 变量+=表达式 | 右到左 | – |
| 14 | -= | 减后赋值 | 变量-=表达式 | 右到左 | – |
| 14 | <<= | 左移后赋值 | 变量<<=表达式 | 右到左 | – |
| 14 | >>= | 右移后赋值 | 变量>>=表达式 | 右到左 | – |
| 14 | &= | 按位与后赋值 | 变量&=表达式 | 右到左 | – |
| 14 | ^= | 按位异或后赋值 | 变量^=表达式 | 右到左 | – |
| 14 | |= | 按位或后赋值 | 变量|=表达式 | 右到左 | – |
| – | – | – | – | – | – |
| 15 | ， | 逗号运算符 | 表达式,表达式,… | 左到右 | – |
说明：
同一优先级的运算符，运算次序由结合方向所决定。
简单记就是：！ > 算术运算符 > 关系运算符 > && > || > 赋值运算符
11. 表达式求值
11.1 整型提升
C语言中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。
整型提升的意义：
表达式的整型运算要在CPU的相应运算器件内执行，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的通用寄存器的长度。
因此，即使两个char类型的相加，在CPU执行时实际上也要先转换为CPU内整型操作数的标准长 度。
通用CPU（general-purpose CPU）是难以直接实现两个8比特字节直接相加运算（虽然机器指令中 可能有这种字节相加指令）。所以，表达式中各种长度可能小于int长度的整型值，都必须先转换为 int或unsigned int，然后才能送入CPU去执行运算。
//实例1
char a,b,c;
...
a = b + c;
b和c的值被提升为普通整型，然后再执行加法运算。 加法运算完成之后，结果将被截断，然后再存储于a中。 如何进行整体提升呢？
- 有符号整数提升是按照变量的数据类型的符号位来提升的
- 无符号整数提升，高位补0
//负数的整形提升
char c1 = -1;
变量c1的⼆进制位(补码)中只有8个⽐特位：
1111111
因为 char 为有符号的 char
所以整形提升的时候，⾼位补充符号位，即为1
提升之后的结果是：
11111111111111111111111111111111
//正数的整形提升
char c2 = 1;
变量c2的⼆进制位(补码)中只有8个⽐特位：
00000001
因为 char 为有符号的 char
所以整形提升的时候，⾼位补充符号位，即为0
提升之后的结果是：
00000000000000000000000000000001
//⽆符号整形提升，⾼位补0
11.2 算术转换
如果某个操作符的各个操作数属于不同的类型，那么除非其中一个操作数的转换为另一个操作数的类型，否则操作就无法进行。下面的层次体系称为寻常算术转换。
long double
double
float
unsigned long int
long int
unsigned int
int
如果某个操作数的类型在上面这个列表中排名靠后，那么首先要转换为另外一个操作数的类型后执行运算
11.3 问题表达式解析
11.3.1 表达式1
//表达式的求值部分由操作符的优先级决定。
//表达式1
a*b + c*d + e*f
表达式1在计算的时候，由于 * 比 + 的优先级高，只能保证， * 的计算是比 + 早，但是优先级并不 能决定第三个 * 比第一个 + 早执行。
所以表达式的计算机顺序就可能是
或者
11.3.2 表达式2
//表达式2
c + --c;
同上，操作符的优先级只能决定自减 – 的运算在 + 的运算的前面，但是我们并没有办法得知， + 操作符的左操作数的获取在右操作数之前还是之后求值，所以结果是不可预测的，是有歧义的。
11.3.3 表达式3
//表达式3
int main()
{
int i = 10;
i = i-- - --i * ( i = -3 ) * i++ + ++i;
printf("i = %d\n", i);
return 0;
}
表达式3在不同编译器中测试结果：非法表达式程序的结果
11.3.4 表达式4
#include <sdtio.h>
int fun()
{
static int count = 1;
return ++count;
}
int main()
{
int answer;
answer = fun() - fun() * fun();
printf( "%d\n", answer); //输出多少？
return 0;
}
这个代码有没有实际的问题？有问题！
虽然在⼤多数的编译器上求得结果都是相同的。
但是上述代码 answer = fun() - fun() * fun(); 中我们只能通过操作符的优先级得知：先算乘法，再算减法。
函数的调用先后顺序无法通过操作符的优先级确定。
11.3.5 表达式5:
//表达式5
#include <stdio.h>
int main()
{
int i = 1;
int ret = (++i) + (++i) + (++i);
printf("%d\n", ret);
printf("%d\n", i);
return 0;
}
//尝试在linux 环境gcc编译器，VS2013环境下都执⾏，看结果。
gcc编译器执行结果：
VS2022运行结果：
看看同样的代码产生了不同的结果，这是为什么？ 简单看一下汇编代码，就可以分析清楚.
这段代码中的第一个 + 在执行的时候，第三个++是否执行，这个是不确定的，因为依靠操作符的优先级和结合性是无法决定第一个 + 和第三个前置 ++ 的先后顺序。
总结
即使有了操作符的优先级和结合性，我们写出的表达式依然有可能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潜在风险的，建议不要写出特别负责的表达式。
