C++学习：六个月从基础到就业——C++基础语法回顾：运算符与表达式

C++学习：六个月从基础到就业——C++基础语法回顾：运算符与表达式

本文是我C++学习之旅系列的第二篇技术文章，主要回顾C++中的运算符和表达式，包括优先级规则、类型转换和常见陷阱。查看完整系列目录了解更多内容。

引言

在C++中，运算符是执行特定操作的符号，而表达式则是由运算符和操作数组成的序列，用于计算值。理解运算符的语义、优先级和结合性对于编写正确的C++代码至关重要。本文将详细介绍C++中的各类运算符、表达式求值规则以及一些常见的陷阱和最佳实践。

基本运算符类型

C++中的运算符可以按功能大致分为以下几类：

算术运算符

算术运算符用于执行基本的数学运算：

运算符描述示例
+加法a + b
-减法a - b
*乘法a * b
/除法a / b
%取模（整数除法的余数）a % b
++自增++a或a++
--自减--a或a--

需要注意的是，自增（++）和自减（--）运算符有前缀和后缀两种形式，它们的行为略有不同：

int a = 5;
int b = ++a;  // 前缀形式：先增加a，再将a的值赋给b（结果：a=6, b=6）
int c = 5;
int d = c++;  // 后缀形式：先将c的值赋给d，再增加c（结果：c=6, d=5）

整数除法会截断小数部分：

int result = 5 / 2;  // 结果为2，而不是2.5

要获取浮点结果，至少一个操作数必须是浮点类型：

double result = 5.0 / 2;  // 结果为2.5

关系运算符

关系运算符用于比较两个值：

运算符描述示例
==等于a == b
!=不等于a != b
>大于a > b
<小于a < b
>=大于等于a >= b
<=小于等于a <= b

关系运算符的结果是布尔值（true或false）：

int a = 5, b = 10;
bool result = a < b;  // 结果为true

逻辑运算符

逻辑运算符用于组合布尔表达式：

运算符描述示例
&&逻辑与a && b
||逻辑或a || b
!逻辑非!a

逻辑运算符遵循短路求值规则：

bool a = false, b = true;
bool result1 = a && b;  // 结果为false
bool result2 = a || b;  // 结果为true// 短路求值示例
int x = 5;
if (x != 0 && 10 / x > 1) {  // 安全：如果x为0，第二部分不会被求值// ...
}

位运算符

位运算符对整数的二进制位进行操作：

运算符描述示例
&按位与a & b
|按位或a | b
^按位异或a ^ b
~按位取反~a
<<左移a << b
>>右移a >> b

位运算符的例子：

unsigned char a = 0x5A;  // 二进制：01011010
unsigned char b = 0x3F;  // 二进制：00111111unsigned char c = a & b;   // 结果：00011010 (0x1A)
unsigned char d = a | b;   // 结果：01111111 (0x7F)
unsigned char e = a ^ b;   // 结果：01100101 (0x65)
unsigned char f = ~a;      // 结果：10100101 (0xA5)
unsigned char g = a << 2;  // 结果：01101000 (0x68)
unsigned char h = a >> 2;  // 结果：00010110 (0x16)

位运算符常用于：

  • 设置、清除或检查特定位
  • 高效的乘除运算（左移右移）
  • 位掩码操作
  • 位域处理

赋值运算符

赋值运算符用于将值赋给变量：

运算符描述等价形式
=简单赋值a = b
+=加法赋值a = a + b
-=减法赋值a = a - b
*=乘法赋值a = a * b
/=除法赋值a = a / b
%=取模赋值a = a % b
&=按位与赋值a = a & b
|=按位或赋值a = a | b
^=按位异或赋值a = a ^ b
<<=左移赋值a = a << b
>>=右移赋值a = a >> b

复合赋值运算符的优势在于更简洁的代码和可能的性能优化：

int x = 10;
x += 5;  // 等价于 x = x + 5;// 在复杂表达式中尤其有用
some_long_variable_name += another_long_variable_name;

成员访问运算符

成员访问运算符用于访问类、结构或联合的成员：

运算符描述示例
.直接成员访问object.member
->通过指针的成员访问pointer->member
.*通过对象访问成员指针object.*memberPtr
->*通过指针访问成员指针pointer->*memberPtr

示例：

struct Point {int x, y;void print() { std::cout << "(" << x << ", " << y << ")" << std::endl; }
};Point p{10, 20};
p.x = 15;       // 直接访问成员变量
p.print();      // 调用成员函数Point* ptr = &p;
ptr->y = 25;    // 通过指针访问成员
ptr->print();   // 通过指针调用成员函数// 成员指针示例
void (Point::*funcPtr)() = &Point::print;
(p.*funcPtr)();     // 通过对象调用成员函数指针
(ptr->*funcPtr)();  // 通过指针调用成员函数指针

其他重要运算符

运算符描述示例
?:条件运算符（三元运算符）condition ? expr1 : expr2
,逗号运算符expr1, expr2
sizeof获取类型或变量的大小sizeof(type) 或 sizeof expr
new动态分配内存new Type
new[]动态分配数组new Type[size]
delete释放动态分配的内存delete ptr
delete[]释放动态分配的数组delete[] array
()函数调用func(args)
[]数组下标访问array[index]
typeid获取类型信息typeid(expr)
static_cast静态类型转换static_cast<Type>(expr)
dynamic_cast动态类型转换dynamic_cast<Type>(expr)
const_cast常量转换const_cast<Type>(expr)
reinterpret_cast重解释转换reinterpret_cast<Type>(expr)
条件运算符（三元运算符）

条件运算符是唯一的三元运算符，常用于简单的条件赋值：

int max_value = (a > b) ? a : b;  // 如果a大于b，返回a，否则返回b
逗号运算符

逗号运算符按顺序求值左侧和右侧的表达式，整个表达式的结果是右侧表达式的值：

int a = 1, b = 2;
int c = (a++, b++, a + b);  // a=2, b=3, c=5

注意：不要将逗号运算符与其他上下文中的逗号分隔符混淆，如函数参数列表或变量声明中的逗号。

运算符优先级与结合性

运算符的优先级决定了复合表达式中的运算顺序，而结合性则决定了相同优先级运算符的求值顺序（从左到右或从右到左）。

以下是C++运算符按优先级从高到低的大致排序（简化版）：

优先级运算符结合性
1作用域解析 ::左到右
2后缀递增/递减 a++ a--
函数调用 ()
数组下标 []
成员访问 . ->		左到右
3前缀递增/递减 ++a --a
一元运算符 + - ! ~
类型转换
new delete
sizeof
指针操作 * &		右到左
4乘除法 * / %左到右
5加减法 + -左到右
6移位 << >>左到右
7关系 < <= > >=左到右
8相等 == !=左到右
9按位与 &左到右
10按位异或 ^左到右
11按位或 |左到右
12逻辑与 &&左到右
13逻辑或 ||左到右
14条件 ?:右到左
15赋值 = += -= 等右到左
16逗号 ,左到右

复杂表达式示例：

int a = 5, b = 2, c = 3, d;
d = a + b * c;  // 结果：d = 5 + (2 * 3) = 5 + 6 = 11

为了提高代码可读性，建议使用括号明确表达运算顺序，尤其是在涉及多种运算符的复杂表达式中：

d = a + (b * c);  // 更加清晰

类型转换与表达式求值

隐式类型转换

当运算符作用于不同类型的操作数时，C++会执行隐式类型转换，遵循以下基本规则：

  1. 如果一个操作数是布尔型，另一个不是，则布尔型会被提升为整型
  2. 如果一个操作数是整型，另一个是浮点型，则整型会被转换为浮点型
  3. 较小的整型（如char、short）在计算前会被提升为至少int大小
  4. 在二元运算中，较低级别的类型会被提升为较高级别的类型
char a = 'A';   // ASCII值为65
int b = a + 1;  // a被提升为int，结果为66
double c = b / 2;  // 整型除法导致结果为33，然后被转换为33.0

算术类型提升规则

整数提升：小于int大小的整型（如bool、char、short）在表达式中会被提升为int或unsigned int。

一般算术转换：在涉及二元运算符的表达式中，如果操作数具有不同的类型，则会按照"转换为最宽类型"的原则进行转换。

转换等级从低到高：

bool → char → short → int → long → long long → float → double → long double

常见陷阱

整数除法

整数除法会截断小数部分，这是C++继承自C语言的行为：

int a = 5, b = 2;
int result = a / b;  // 结果为2，小数部分被截断

正确处理方法：

double result = static_cast<double>(a) / b;  // 结果为2.5
无符号数下溢

无符号整数减法导致结果小于零时，会发生环绕：

unsigned int a = 3;
unsigned int b = 5;
unsigned int result = a - b;  // 结果不是-2，而是一个很大的正数（UINT_MAX - 1）
运算符优先级混淆

位运算符与逻辑运算符的优先级常常被混淆：

int a = 0x05;  // 00000101
int b = 0x0A;  // 00001010
bool result = a & b == 0;  // 等同于 a & (b == 0)，而不是 (a & b) == 0

正确做法应该使用括号明确意图：

bool result = (a & b) == 0;  // 清楚表明先执行按位与操作，再比较结果
自增/自减运算符副作用

当在同一个表达式中多次修改同一个变量时，会产生未定义行为：

int i = 5;
int j = i++ + i++;  // 未定义行为！

运算符重载

C++允许自定义类型重载大多数运算符，使其具有特殊的语义：

class Complex {
private:double real, imag;
public:Complex(double r = 0, double i = 0) : real(r), imag(i) {}// 重载+运算符（成员函数）Complex operator+(const Complex& rhs) const {return Complex(real + rhs.real, imag + rhs.imag);}// 重载输出流运算符（友元函数）friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& c) {os << c.real;if (c.imag >= 0) os << "+";os << c.imag << "i";return os;}
};int main() {Complex a(1, 2), b(3, 4);Complex c = a + b;  // 使用重载的+运算符std::cout << c;     // 使用重载的<<运算符，输出"4+6i"return 0;
}

运算符重载的规则和限制：

  • 不能改变运算符的优先级、结合性或操作数数量
  • 不能重载不存在的运算符（如**等）
  • 某些运算符不能重载，如.、::、.*、?:等
  • 至少有一个操作数必须是用户定义类型

表达式的左值和右值

在C++中，表达式可以分为左值（lvalue）和右值（rvalue）。理解这个概念对于深入理解C++的语法和语义非常重要。

  • 左值：可以出现在赋值运算符左侧的表达式，通常代表存储在内存中的对象。
  • 右值：只能出现在赋值运算符右侧的表达式，通常是临时的、即将消亡的值。

例如：

int x = 5;  // x是左值，5是右值
int& ref = x;  // 可以绑定引用到左值
// int& ref2 = 5;  // 错误：不能将非常量引用绑定到右值
const int& cref = 5;  // 正确：可以将常量引用绑定到右值

C++11引入了右值引用（&&），使我们能够更好地处理右值：

void process(int& x) { std::cout << "处理左值引用" << std::endl; }
void process(int&& x) { std::cout << "处理右值引用" << std::endl; }int main() {int a = 5;process(a);    // 调用左值引用版本process(5);    // 调用右值引用版本process(a+2);  // 调用右值引用版本return 0;
}

位运算技巧

位运算是C++中的强大工具，尤其在需要性能优化的场景下。以下是一些常用技巧：

检查特定位

bool isBitSet(int value, int position) {return (value & (1 << position)) != 0;
}

设置特定位

int setBit(int value, int position) {return value | (1 << position);
}

清除特定位

int clearBit(int value, int position) {return value & ~(1 << position);
}

切换特定位

int toggleBit(int value, int position) {return value ^ (1 << position);
}

高效乘除

int multiplyByTwo(int value) {return value << 1;  // 等同于value * 2
}int divideByTwo(int value) {return value >> 1;  // 等同于value / 2（对于正数）
}

检查奇偶性

bool isEven(int value) {return (value & 1) == 0;
}

实际应用示例

位域与按位操作

下面的例子展示了如何使用位运算操作FLAG：

// 使用枚举定义标志位
enum Flags {READ = 1 << 0,    // 0001WRITE = 1 << 1,   // 0010EXECUTE = 1 << 2, // 0100HIDDEN = 1 << 3   // 1000
};// 设置权限
int permissions = 0;
permissions |= READ | WRITE;  // 添加读写权限// 检查权限
bool canRead = (permissions & READ) != 0;
bool canExecute = (permissions & EXECUTE) != 0;// 删除权限
permissions &= ~WRITE;  // 移除写权限// 切换权限
permissions ^= HIDDEN;  // 如果隐藏，则显示；如果显示，则隐藏

优化条件语句

使用三元运算符可以简化一些条件语句：

// 传统if-else
int max;
if (a > b) {max = a;
} else {max = b;
}// 使用三元运算符
int max = (a > b) ? a : b;

复合赋值与运算符优先级

理解复合赋值和运算符优先级对于编写简洁、正确的代码至关重要：

int a = 5, b = 3, c = 2;// 错误的理解
a = b + c;  // a = 5
a += b + c;  // 很多人误以为等同于 a = a + b + c = 5 + 3 + 2 = 10// 正确的理解
// a += b + c 等同于 a = a + (b + c) = 5 + (3 + 2) = 5 + 5 = 10

最佳实践与建议

  1. 使用括号明确优先级：即使你对优先级规则非常熟悉，使用括号也能让代码更易读。

  2. 避免在一行中多次修改同一变量：这可能导致未定义行为。

    // 不好的做法
int i = 0;
int j = ++i + ++i;  // 未定义行为// 好的做法
int i = 0;
++i;
int j = i + i;

  3. 小心隐式类型转换：尤其是在混合有符号和无符号类型时。

    unsigned int a = 10;
int b = -5;
if (b < a) {  // b被转换为无符号类型，比较结果可能不符合预期// ...
}

  4. 使用显式类型转换：优先使用现代C++的类型转换运算符，而不是C风格的类型转换。

    // 不推荐
int i = (int)3.14;// 推荐
int i = static_cast<int>(3.14);

  5. 理解自增/自减运算符的行为：尤其是前缀和后缀形式的区别。

    int i = 5;
int j = ++i;  // i=6, j=6
int k = i++;  // i=7, k=6

  6. 避免过度依赖运算符优先级：即使你确定优先级正确，过于复杂的表达式也会增加代码的维护难度。

  7. 使用const防止意外修改：尤其在表达式中使用变量时。

    const int MAX_SIZE = 100;
int array[MAX_SIZE];  // 确保MAX_SIZE不会被意外修改

  8. 考虑使用命名函数代替复杂表达式：这能提高代码的可读性和可维护性。

    // 不易理解的表达式
if ((x & (x-1)) == 0 && x != 0) {// ...
}// 更易理解的命名函数
bool isPowerOfTwo(int x) {return x != 0 && (x & (x-1)) == 0;
}if (isPowerOfTwo(x)) {// ...
}

总结

本文回顾了C++中的运算符和表达式，包括各类运算符的使用、优先级规则、类型转换和常见陷阱。正确理解和使用这些基本概念，对于编写高效、无错的C++代码至关重要。在后续的文章中，我们将继续探索C++的其他基础特性，包括控制流结构、函数和类的定义等。

希望这篇文章对你有所帮助。如果有任何问题或建议，欢迎在评论区留言讨论！

参考资料

  1. Bjarne Stroustrup. The C++ Programming Language (4th Edition)
  2. Scott Meyers. Effective Modern C++
  3. cppreference.com - 运算符优先级
  4. C++ Core Guidelines - 表达式与语句

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