C语言入门系列：运算符及其优先级

文章目录

- 一，算术运算符
- 二，自增运算符与自减运算符
- 三，关系运算符
- 四，逻辑运算符
- - 逻辑与（`&&`）
  - 逻辑或（`||`）
  - 逻辑非（`!`）
  - 最佳实践：行为单一原则
- 五，位运算符
- - 按位与（`&`）
  - 按位或（`|`）
  - 按位异或（`^`）
  - 按位取反（`~`）
  - 左移（`<<`）
  - 右移（`>>`）
- 六，逗号运算符
- 七，运算优先级

在C语言编程中，运算符是构建程序逻辑的基础，它们用于执行计算、比较值、控制数据流等操作。

C语言中的运算符有50多种，我们可以分门别类的学习。

一，算术运算符

算术运算符用于执行基本的数学运算，如加、减、乘、除和取模（求余数）。

+ 正值运算符(一元运算符)
- 负值运算符(一元运算符)
+ 加法(二元运算符)
- 减法(二元运算符)
* 乘法
/ 除法（结果为浮点数，如果两边都是整数，则结果向下取整）
% 取模（求余数）

+ 正值运算符（一元运算符）

该运算符用于改变数值的符号，当应用于一个正数或零时，没有实际效果。
```
int x = +5; // x 的值为 5，这里 + 运算符没有实际改变数值。
```
正值运算符通常可以省略，但在某些上下文中使用它能增加代码的清晰度。
如果在一个值为负数的变量前面加上正号会有什么效果呢？
```
 int y = -5;
 int x = +y;
```
变量x的值还是-5，因为+不会改变正负值。
- 负值运算符（一元运算符）

用于改变数值的符号，将一个数变为它的负数。
```
int y = -10; // y 的值为 -10。
```
负值运算符是改变符号的最直接方式，尤其在数学运算和条件判断中常见。
```
int y = -5;
int x = -y;
```
变量x的值是5，因为-会改变正负值，这是与+有区别的地方。

+ 加法（二元运算符）

将两个数值相加。

int a = 3;
int b = 4;
int sum = a + b; // sum 的值为 7。

- 减法（二元运算符）

从一个数值中减去另一个数值。

int c = 10;
int d = 5;
int difference = c - d; // difference 的值为 5。

* 乘法

将两个数值相乘。

int e = 3;
int f = 4;
int product = e * f; // product 的值为 12。

/ 除法（结果为浮点数，如果两边都是整数，则结果向下取整）

进行除法运算，如果除数和被除数都是整数，结果将是整数（向下取整）；如果其中至少有一个是浮点数，则结果为浮点数。
```
float g = 6.0 / 4; // g 的值为 1.5，因为其中一个数为浮点数。
int h = 6 / 4;    // h 的值为 1，整数除法向下取整。
```
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;
```
% 取模（求余数）

返回除法的余数。
```
int i = 6 % 4; // i 的值为 2，因为 6 除以 4 的余数是 2。
```
取模运算符只能用于整数，结果的符号取决于被模数（左边的数）的符号。

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

二，自增运算符与自减运算符

自增(++)和自减(--)运算符用于增加或减少变量的值，分为前置和后置两种形式，影响着运算符所在表达式的值以及变量改变的时机。

前置：先改变变量的值，再进行其他运算。
后置：先参与其他运算，之后改变变量的值。

#include <stdio.h>

int main() {
    int x = 5;
    
    printf("前置自增: %d\n", ++x);   // 输出: 6，x现在是6
    printf("后置自增: %d\n", x++);   // 输出: 6，但x现在变为7
    printf("x现在的值: %d\n", x);    // 输出: 7
    
    return 0;
}

自增运算符和自减运算符的位置对结果有影响，为了可读性，建议单独使用，不要与其他运算符在一个表达式中混合使用。

int i = 42;
int j;
j = (i++ + 10);
j = (++i + 10)

可以改用下面的写法。

j = (i + 10);
i++;

i++;
j = (i + 10);

虽然多了两行代码，但是可读性强，便于维护。

三，关系运算符

关系运算符用于比较两个操作数的大小，返回布尔值（真或假，在C中用1表示真，0表示假）。

== 等于
!= 不等于
< 小于
> 大于
<= 小于等于
>= 大于等于

#include <stdio.h>

int main() {
    int m = 5, n = 3;
    
    printf("m == n: %d\n", m == n);   // 输出: 0 (假)
    printf("m != n: %d\n", m != n);   // 输出: 1 (真)
    printf("m < n: %d\n", m < n);     // 输出: 0 (假)
    printf("m > n: %d\n", m > n);     // 输出: 1 (真)
    
    return 0;
}

注意，C 语言中，0表示伪，所有非零值表示真。

使用关系运算符的表达式的计算结果是整数，要么是0，要么是1：

1，表示真(true)
0，表示假(false)

int main()
{
    int num = 100;
    double num2 = 100;
    printf("num=%lf\n", num);
    printf("num2=%lf\n", num2);
    return 0;
}

在这里插入图片描述

关系表达式常用于if或while结构。

if (x == 6) {
  printf("x is 6.\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 = 6) {
	printf("do something...");
}

上面示例中，原意是x == 6，但是不小心写成x = 6。C语言中，表达式是有返回结果的，x = 6这个式子返回值为6，根据非0为真，该判断条件始终为真，不合原意。

为了防止出现这种错误，可将变量写在等号的右边。

if (6 == x) {
	printf("do something...");
}

如果把==误写成=，编译器就会报错。

/* 语法错误 */
if (6 = x) {
	printf("do something...");
}

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

四，逻辑运算符

逻辑运算符用于组合布尔表达式，判断多个条件是否同时满足。

&& 逻辑与
|| 逻辑或
! 逻辑非

逻辑与（`&&`）

&&运算符用于连接两个布尔表达式。当且仅当两边的表达式都为真（非零值）时，整个表达式才为真（非零值）。

int a = 5, b = 10;

if (a > 0 && b > 0) {
    printf("Both a and b are positive.\n");
}

在这个例子中，因为a和b都大于0，所以a > 0 && b > 0的判断结果为真，会执行打印语句。

短路特性：如果左边的表达式为假，右边的表达式将不会被评估，因为整个表达式的结果已经确定为假。

 int a = -5, b = 10;
 
 if (a > 0 && b > 0) {
     printf("Both a and b are positive.\n");
 }

上面代码中，因为a = -5，if判断中 a > 0为false，整个逻辑与的结果肯定是false，右边的表达式无需计算。

逻辑或（`||`）

||运算符同样用于连接两个布尔表达式。如果任意一边的表达式为真，整个表达式就为真。

int x = 3, y = 7;

if (x < 0 || y > 5) {
    printf("At least one condition is true.\n");
}

虽然x大于0，使得左边的条件假，但是右边的表达式y > 5为真，整体表达式就为真，因此会执行打印语句。

||运算符同样具有短路特性，如果左边的表达式为真，整体表达式为真，右边的表达式将不会被执行。

int x = -3, y = 7;

if (x < 0 || y > 5) {
    printf("At least one condition is true.\n");
}

x = -3，逻辑或左侧表达式x < 0为真，已经可以断定整体表达式为真，故而不需要检查y > 5。

逻辑非（`!`）

!是一个一元运算符，用于取一个布尔表达式的相反值。如果表达式为真，则结果为假；反之亦然。

int z = 0;

if (!z) {
    printf("z is zero or false.\n");
}

在这个例子中，因为z的值为0，被视为逻辑假，所以!z的结果为真，会执行打印语句。

逻辑非运算符仅作用于紧随其后的表达式，优先级高于逻辑与和逻辑或。

最佳实践：行为单一原则

写代码时，最佳实践是让代码的行为符合预期，遵守行为单一原则，即表达式的行为是明确的、单一的。

如下代码，逻辑运算符的执行顺序是先左后右，x++ < 10这个表达式具备两个效果：

① x < 10
② x = x + 1

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

执行左侧表达式后，变量x的值就已经变了。执行右侧表达式的时候，是用新的值在计算，这极有可能不是我们的真实意图。

逻辑运算符在编写条件控制语句（如if、while）时特别有用，通过它们可以构建复杂的逻辑判断，实现精确的程序流程控制。

五，位运算符

位运算符对整型数据的二进制位进行操作。

& 按位与
| 按位或
^ 按位异或
~ 按位取反
<< 左移
>> 右移

按位与（`&`）

对两个操作数的每一位进行逻辑与操作。如果两个位都是1，则结果位为1；否则为0。

int a = 0b1101; // 13 in decimal
int b = 0b1011; // 11 in decimal
int result = a & b; // 0b1001, which is 9 in decimal

在这个例子中，a和b的二进制表示分别是1101和1011，按位与操作后得到的是1001，即十进制的9。

按位或（`|`）

对两个操作数的每一位进行逻辑或操作。如果至少有一个位是1，则结果位为1；否则为0。

int c = 0b1010; // 10 in decimal
int d = 0b0110; // 6 in decimal
int result = c | d; // 0b1110, which is 14 in decimal

这里，c和d按位或后得到1110，即十进制的14。

按位异或（`^`）

对两个操作数的每一位进行逻辑异或操作。如果两个位不同，则结果位为1；否则为0。

int e = 0b1100; // 12 in decimal
int f = 0b1010; // 10 in decimal
int result = e ^ f; // 0b0110, which is 6 in decimal

这里，e和f的对应位上不相同的位产生1，最终得到10的二进制表示0110。

按位取反（`~`）

对一个操作数的每一位进行逻辑非操作。即，0变成1，1变成0。

int g = 0b1010; // 10 in decimal
int result = ~g; // 0b0101, which is -11 in decimal for signed int

注意，result是按位取反后的值，对于有符号整数，最高位为1表示负数，因此这里解释为-11。

左移（`<<`）

将一个操作数的所有位向左移动指定位数，右侧空出的位用0填充。

int h = 0b0001; // 1 in decimal
int result = h << 2; // 0b0100, which is 4 in decimal

这里，h左移两位后，原来的1变成了100，即十进制的4。

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）。

上述案例左移2位，相当于原数1乘以4，所以结果是4。

当有符号整数进行位运算“左移（<<）”时，规则是“符号位不变，移出位丢弃，空出位补0”。即正整数左移N位时低位依次填充N个0，负整数左移N位时低位依次填充N个0。

例如：

0000 0010 << 1 = 0000 0100  
0000 1010 << 2 = 0010 1000 
1000 0010 << 1 = 1000 0100   
1000 1010 << 3 = 1001 0000

左移不改变有符号整数的符号位。

注意：左移的位数超过该数值类型的最大位数时，编译器会用左移的位数去模类型的最大位数，然后按余数进行移位。

如:

int i=1; //设int为32位
i=i<<33; // 33%32=1，相当于 i=i<<1

int main()
{
    int num = 1;
    int num2 = num << 33;
    printf("左移前num=%d\n", num);
    printf("num左移33位后num2=%d\n", num2);
    return 0;
}

在这里插入图片描述

右移（`>>`）

将一个操作数的所有位向右移动指定位数，对于有符号整数，左侧空出的位用符号位填充（即保持符号不变），对于无符号整数，用0填充。

int i = 0b1010; // 10 in decimal
int result = i >> 1; // 0b0101, which is 5 in decimal

这里，i右移一位后，变成了0101，即十进制的5。

右移运算符相当于将运算数除以2的指定次方，比如右移1位就相当于除以2（2的1次方），所以上述示例右移一位，相当于10除以2，结果是5。

但是，对于负数，右移位操作存在一个左移位操作不曾面临的问题：从左边移入的位，可以选择两种方案。

①一种是逻辑移位，左边移入的位用0填充；
②一种是算数移位，左边移入的位由原先该值的符号位决定，符号位为1则移入的位均为1，符号位为0则移入的为均为0，这样就能够保持原数的正负形式不变。例如：

0000 0010 >> 1 = 0000 0001  
0000 1010 >> 2 = 0000 0010 
1000 0010 >> 1 = 1100 0001   
1000 1010 >> 3 = 1111 0001

对于有符号值，到底是采用逻辑移位还是算数移位取决与编译器，不能保证所有的编译器采用同样的方式。

因此，最佳实践是右移运算符不用于有符号数。

六，逗号运算符

逗号运算符,用于连接多个表达式，从左到右依次计算每个表达式，整个表达式的值为最后一个表达式的值。

#include <stdio.h>

int main() {
    int x = (2 + 3, 4 - 1, 5 * 2);
    printf("结果: %d\n", x); // 输出: 10，因为最后一个表达式5*2的结果是10
    
    return 0;
}

七，运算优先级

运算符的优先级决定了在没有括号明确指定顺序的情况下，哪些运算符会先被计算。

一般而言，算术运算符优先于关系运算符，逻辑运算符又在它们之后，位运算符通常具有较高优先级。使用括号()可以强制改变运算顺序。

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。

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（=）。

运算优先级的最佳实践：

①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。
②表达式要清晰易读，不要写过于复杂的表达式。如：res = (res = res++ + 2) + (a = ++b - 2)，就是不好的表达式。