[C语言]——操作符详解

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： . 、->

上述的操作符，在之前的博客中已经讲过算术操作符、赋值操作符、逻辑操作符、条件操作符和部分的单⽬操作符，今天继续介绍⼀部分，操作符中有⼀些操作符和⼆进制有关系，我们先铺垫⼀下⼆进制的和进制转换的知识。
操作符是应用于 表达式中：3+4 3*4

二.二进制和进制转换

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：

cpp 复制代码

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。

1.二进制转十进制

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 , , ...
如下图：

1.1十进制转二进制数字

2.二进制转八进制和十六进制

2.1二进制转八进制

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 。

2.2二进制转十六进制

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

三.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。
补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。 因为：
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。

四.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。

1.左移操作符

移位规则： 左边抛弃、右边补0

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
int main()
{
  int num = 10;
  int n = num<<1;
  printf("n= %d\n", n);
  printf("num= %d\n", num);
  return 0;
}

2.右移操作符

移位规则：⾸先右移运算分两种：

cpp 复制代码

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
到底哪种右移取决于编译器的实现，大部分的编译器上是算术右移

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
int main()
{
  int num = 10;
  int n = num>>1;
  printf("n= %d\n", n);
  printf("num= %d\n", num);
  return 0;
}

警告⚠️：对于移位运算符，不要移动负数位，这个是标准未定义的。
例如：

cpp 复制代码

int num = 10;
num>>-1;//error

五.位操作符：&、|、^、~

位操作符有：

cpp 复制代码

& //按位与
| //按位或
^ //按位异或
~ //按位取反

注：他们的操作数必须是 整数。

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
int main()
{
  int num1 = 3;
  int num2 = -5;
  printf("%d\n", num1 & num2);//3
  printf("%d\n", num1 | num2);//-5
  printf("%d\n", num1 ^ num2);
  printf("%d\n", ~0);//-1
  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。

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
int main()
{
  int a = 10;
  int b = 20;a^b
  b = a^b; //a^b^b->b=a
  a = a^b; //a^b^a->a=b
  printf("a = %d b = %d\n", a, b);
  return 0;
}

//异或操作符的特点：a^a=0  a^0=a

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。

cpp 复制代码

参考代码：
//⽅法1
#include <stdio.h>
int main()
{
 int num = 10;
 int count= 0;//计数
 while(num)
 {
   if(num%2 == 1) //某二进制为1
     count++;
   num = num/2; //去掉一个0
 }
 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？

cpp 复制代码

//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。

cpp 复制代码

//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);//把二进制中最右边的1去掉了
 }
 printf("⼆进制中1的个数 = %d\n",count);
 return 0;
 }
这种⽅式是不是很好？达到了优化的效果，但是难以想到。

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

cpp 复制代码

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

参考代码：

cpp 复制代码

#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;
}

六.单目操作符

单⽬操作符有这些：

cpp 复制代码

！、++、--、&、*、+、-、~ 、sizeof、(类型)

单目操作符的特点是只有⼀个操作数，在单⽬操作符中只有&和*没有介绍，这2个操作符，我们放在学习指针的时候学习。

七.逗号表达式

cpp 复制代码

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。

cpp 复制代码

//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？ //13

//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
}

八.下标访问[ ]、函数调用( )

1.[ ] 下标引用操作符

操作数：⼀个数组名 + ⼀个索引值

cpp 复制代码

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。

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 。

cpp 复制代码

#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。sizeof是操作符，不是函数
  test2("hello bit.");//这⾥的()就是函数调⽤操作符。
  return 0;
}

九.结构成员访问操作符

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。

1.1结构的声明

cpp 复制代码

struct tag
{
 member-list; //成员列表，可以有1个或者多个成员
}variable-list;

描述⼀个学生：

cpp 复制代码

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

1.2结构体变量的定义和初始化

cpp 复制代码

//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，否则只能默认顺序

//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

2.结构成员访问操作符

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：

cpp 复制代码

#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

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：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
struct Point
{
   int x;
   int y;
};
int main()
{
   struct Point p = {3, 4};
   struct Point *ptr = &p; //取出p的地址
   ptr->x = 10;
   ptr->y = 20;
   printf("x = %d y = %d\n", ptr->x, ptr->y);
   return 0;
}

使用方式： 结构体指针->成员名
综合举例：

cpp 复制代码

#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;
}

更多关于结构体的知识，在《⾃定义类型：结构体》中。

十.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。

1.优先级

相邻操作符，优先级高的先执行，优先级低的后执行

cpp 复制代码

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 。

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（ = ）。

cpp 复制代码

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），建议大概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。

赋值操作符优先级很低

参考：https://zh.cppreference.com/w/c/language/operator_precedence

十一.表达式求值

1.整型提升

C语言中整型算术运算总是⾄少以 缺省整型（默认） 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)的操作数的字节⻓度⼀般就是int的字节⻓度，同时也是CPU的通⽤寄存器的⻓度。
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⻓度。
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，表达式中各种⻓度可能⼩于int⻓度的整型值，都必须先转换为int或unsigned int，然后才能送入CPU去执⾏运算

cpp 复制代码

//实例1
char a,b,c;//char是占用一个字节的，一个字节的8位bit位
...
a = b + c;
//char类型的取值范围是-128~127

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

cpp 复制代码

//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

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 。

cpp 复制代码

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。

3.问题表达式解析

3.1表达式1

cpp 复制代码

//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：

cpp 复制代码

a*b
c*d
a*b + c*d
e*f
a*b + c*d + e*f

或者：

cpp 复制代码

a*b
c*d
e*f
a*b + c*d
a*b + c*d + e*f

3.2表达式2

cpp 复制代码

//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。最好拆成两个代码去写。

3.3表达式3

cpp 复制代码

//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

3.4表达式4

cpp 复制代码

#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。

3.5表达式5

cpp 复制代码

//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。

4.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⻛险的，建议不要写出特别负责的表达式。