C 语言运算符全景：从入门到进阶

1. 引言：为什么必须吃透运算符？

运算符（Operator）是 C 代码中最密集、最危险也最容易被轻视的"地雷区"。

一行看似人畜无害的表达式：

c 复制代码

*p++ &= ~mask | 1<<bit;

背后同时涉及后缀自增 、指针解引用 、位运算 、复合赋值 、优先级 与序列点 六道关卡。

稍有疏忽就会引发未定义行为（UB）。本文尝试用"一张图 + 一张表 + 六条军规"把 C 语言 46 个运算符一次讲透，并给出工业级编码范式，助你安全通过所有关卡。

2. 运算符分类与优先级速查表

类别	运算符	优先级(1 最高)	结合性	备注
后缀	`() [] -> . ++ --`	1	L→R	函数调用、下标、成员访问
一元	`+ - ! ~ ++ -- * & sizeof _Alignof`	2	R→L	类型转换也属此级
乘除	`* / %`	3	L→R	`%` 要求整数
加减	`+ -`	4	L→R	指针算术在此级
移位	`<< >>`	5	L→R	负数移位 UB
关系	`< <= > >=`	6	L→R	结果 0/1
相等	`== !=`	7	L→R	容易误写 `=`
位与	`&`	8	L→R	掩码常用
位异或	`^`	9	L→R	交换变量神器
位或	`	`	10	L→R
逻辑与	`&&`	11	L→R	短路求值
逻辑或	`		`	12
条件	`?:`	13	R→L	三目运算符
赋值	`= += -= *= /= %= ...`	14	R→L	复合赋值同优先级
逗号	`,`	15	L→R	顺序求值，返回值最右

速记口诀："后缀一元乘加减，移位关系等位逻，条件赋值逗号尾"

真记不住？加括号。这是 MISRA-C 推荐也是 Linux kernel 的硬性规范。

3. 位运算：被 90% 开发者浪费的"性能红利"

3.1 基本操作

运算符	功能	典型场景
`&`	清除位	`flags & ~mask`
`	`	设置位
`^`	翻转位	`flags ^= toggle`
`~`	按位取反	`~0u` 生成全 1
`<< >>`	移位	等价乘/除 2ⁿ，速度常数级

3.2 工业级技巧

无临时交换
c 复制代码
```
a ^= b; b ^= a; a ^= b;
```
仅当 a b 内存地址不同时可用，否则 UB。
判断奇偶
c 复制代码
```
if (x & 1)   // 奇数
```

计算绝对值（无分支）

c 复制代码

int mask = x >> 31;
int absx = (x ^ mask) - mask;

位域 vs 掩码

位域语法糖可读性高，但对齐依赖实现；协议编码建议显式掩码 + static inline 读写函数，可移植且易审计。

4. 指针运算符：最锋利的"双刃剑"

运算符	读法	优先级	常见坑
`&`	取地址	2(一元)	不可对位域或寄存器变量使用
`*`	解引用	2(一元)	未初始化指针 UB
`->`	间接成员	1	左侧必须是指向结构体的指针
`[]`	下标	1	`a[i]` 等价 `*(a+i)`，因此 `i[a]` 也合法

优先级陷阱

c 复制代码

int *p, arr[10];
*p++ = 0;      // 后缀++ 优先级高于*，等价 *(p++)
(*p)++;        // 先解引用，再把目标值 +1

安全范式

一次表达式只干一件事（Linux kernel CodingStyle 第 5 章）。
复杂偏移用临时变量，别把 *, &, ++, -- 写进同一行。

5. 逻辑与条件：短路求值才是灵魂

c 复制代码

if (p && p->ready) { ... }     // p 为 NULL 时后半句不会执行
int x = (a > b) ? a : b;       // 三目运算符可生成无分支汇编

注意：

&&, ||, ?: 与 , 是唯四保证求值顺序的运算符，其余均不保证。
在 || 后自增是常见笔误：
c 复制代码
```
if (x || y++)   // y 可能不被执行
```

6. 赋值与复合赋值：别忘了返回值是左操作数

c 复制代码

a = b = c;        // 右结合，等价 a = (b = c)
array[i++] = i;   // UB，i 修改与求值无序列点

军规：

同一表达式中不要既用又改同一标量。

复合赋值自带隐式强制转换 ：

c 复制代码

char c = 1;
c *= 255;   // 先提升为 int，结果转回 char，可能溢出

7. 序列点与副作用：UB 的温床

C11 5.1.2.3 定义了序列点 （sequence point）。

关键规则：

前一条语句结束是序列点；
&&, ||, ?:, , 的左操作数求值后是序列点；
函数调用前对实参求值有一个序列点。

反面教材

c 复制代码

printf("%d %d\n", i, i++);   // UB
a[i] = i++;                  // UB

正面做法

拆分语句，让副作用落在不同语句：

c 复制代码

int tmp = i++;
a[tmp] = i;

8. 性能视角：运算符背后的 CPU 故事

除法/取模

无硬件除法器的 MCU 上，/, % 会被编译器换成库函数调用 ，耗时数百周期。

对 2ⁿ 取模用位与：
c 复制代码
```
x % 8  →  x & 7
```
移位 vs 乘除

编译器已对 x * 16 自动优化为 x << 4，手写移位反而可能阻断其他优化 （如矢量化）。

信任编译器，先写清晰再测性能。
位运算与分支

三目、异或等常可生成无分支汇编，在加密、图形像素处理中可显著降低分支预测失败惩罚。

9. 工业级编码军规（可直接写进团队手册）

优先级记不住就加括号，禁止秀技巧。
同一表达式只出现一次副作用。
位运算前显式无符号化 ，避免算术移位陷阱：
c 复制代码
```
unsigned int u = (unsigned int)x >> 24;
```
对寄存器或协议字段写"读-改-写"函数，禁止裸运算符散布业务代码。
在 if/while 条件里禁止自增/自减，除非团队一致同意。
启用 -Wsequence-point、-Werror，让编译器帮你排雷。

10. 结语：把运算符关进笼子里

C 语言给了程序员"距离硬件仅隔一层汇编"的特权，而运算符正是这层接口的核心。

理解优先级、结合性与序列点，不是为了炫技，而是为了把可能的未定义行为关进笼子里 。

当你能把一行复杂表达式拆成"一眼看懂、静态分析工具零告警"的三行代码时，才算真正驯服了 C 的运算符这只猛兽。

Happy hacking, and remember:
"括号是第一生产力，拆分是最佳设计模式。"