【C++ Primer每日一刷之十】 操作符(一)

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表达式

C++ 提供了丰富的操作符，并定义操作数为内置类型时，这些操作符的含义。除此之外，C++ 还支持操作符重载，允许程序员自定义用于类类型时操作符的含义。标准库正是使用这种功能定义用于库类型的操作符。

本章重点介绍 C++ 语言定义的操作符，它们使用内置类型的操作数；本章还会介绍一些标准库定义的操作符。第十四章将学习如何定义自己的重载操作符。

表达式由一个或多个操作数通过操作符组合而成。最简单的表达式仅包含一个字面值常量或变量。较复杂的表达式则由操作符以及一个或多个操作数构成。

每个表达式都会产生一个结果。如果表达式中没有操作符，则其结果就是操作数本身（例如，字面值常量或变量）的值。当一个对象用在需要使用其值的地方，则计算该对象的值。例如，假设ival 是一个int 型对象：

if (ival) // evaluate ival as a condition

// ....

上述语句将 ival 作为 if 语句的条件表达式。当 ival 为非零值时， if条件成立；否则条件不成立。

对于含有操作符的表达式，它的值通过对操作数做指定操作获得。除了特殊用法外，表达式的结果是右值，可以读取该结果值，但是不允许对它进行赋值。

操作符的含义——该操作符执行什么操作以及操作结果的类型——取决于操作数的类型。

除非已知道操作数的类型，否则无法确定一个特定表达式的含义。下面的表达式

i + j

既可能是整数的加法操作、字符串的串接或者浮点数的加法操作，也完全可能是其他的操作。如何计算该表达式的值，完全取决于 i 和 j 的数据类型。

C++提供了一元操作符和二元操作符两种操作符。作用在一个操作数上的操作符称为一元操作符，如取地址操作符（&）和解引用操作符（*）；而二元操作符则作用于两个操作数上，如加法操作符(+)和减法操作符(-)。除此之外，C++还提供了一个使用三个操作数的三元操作符（ternary operator），我们将在第 5.7节介绍它。

有些符号（symbols）既可表示一元操作也可表示二元操作。例如，符号 * 既可以作为（一元）解引用操作符，也可以作为（二元）乘法操作符，这两种用法相互独立、各不相关，如果将其视为两个不同的符号可能会更容易理解些。对于这类操作符，需要根据该符号所处的上下文来确定它代表一元操作还是二元操作。

操作符对其操作数的类型有要求，如果操作符应用于内置或复合类型的操作数，则由C++语言定义其类型要求。例如，用于内置类型对象的解引用操作符要求其操作数必须是指针类型，对任何其他内置类型或复合类型对象进行解引用将导致错误的产生。

对于操作数为内置或复合类型的二元操作符，通常要求它的两个操作数具有相同的数据类型，或者其类型可以转换为同一种数据类型。关于类型转换，我们将在第 5.12 节学习。尽管规则可能比较复杂，但大部分的类型转换都可按预期的方式进行。例如，整型可转换为浮点类型，反之亦然，但不能将指针类型转换为浮点类型。

要理解由多个操作符组成的表达式，必须先理解操作符的优先级、结合性和

操作数的求值顺序。例如，表达式

5 + 10 * 20/2;

使用了加法、乘法和除法操作。该表达式的值取决于操作数与操作符如何结合。例如，乘法操作符* 的操作数可以是 10 和 20，也可以是 10 和 20 /2，或者 15 和 20 、 15 和 20/2。结合性和优先级规则规定了操作数与操作符的结合方式。在 C++ 语言中，该表达式的值应是 105，10 和 20 先做乘法操作，然后其结果除以 2，再加 5 即为最后结果。

求解表达式时，仅了解操作数和操作符如何结合是不足够的，还必须清楚操作符上每一个操作数的求值顺序。每个操作符都控制了其假定的求值顺序，即，我们是否可以假定左操作数总是先于右操作数求值。大部分的操作符无法保证某种特定的求值次序，我们将于第 5.10 节讨论这个问题。

5.1. 算术操作符

除非特别说明，表5-1 所示操作符可用于任意算术类型（第 2.1 节）或者任何可转换为算术类型的数据类型。

表 5.1 按优先级来对操作符进行分组——一元操作符优先级最高，其次是乘、除操作，接着是二元的加、减法操作。高优先级的操作符要比低优先级的结合得更紧密。这些算术操作符都是左结合，这就意味着当操作符的优先级相同时，这些操作符从左向右依次与操作数结合。

表 5.1. 算术操作符

操作符 功能 用法

+ unary plus（一元正号）+ expr

- unary minus（一元负号）- expr

* multiplication（乘法） expr * expr

/ division（除法） expr/ expr

% remainder（求余）expr % expr

+ addition（加法） expr+ expr

- subtraction（减法）expr – expr

对于前述表达式

5 + 10 * 20/2;

考虑优先级与结合性，可知该表达式先做乘法（ *）操作，其操作数为 10 和20，然后以该操作的结果和 2为操作数做除法（/）操作，其结果最后与操作数5 做加法（ +）操作。

一元负号操作符具有直观的含义，它对其操作数取负：

int i = 1024;

int k = -i; // negates the value of itsoperand

一元正号操作符则返回操作数本身，对操作数不作任何修改。

警告：溢出和其他算术异常

某些算术表达式的求解结果未定义，其中一部分由数学特性引起，例如除零操作；其他则归咎于计算机特性，如溢出：计算出的数值超出了其类型的表示范围。

考虑某台机器，其 short 类型为16 位，能表示的最大值是 32767。假设 short 类型只有 16 位，下面的复合赋值操作将会溢出：

// max value if shorts are 8 bits

short short_value = 32767;

short ival = 1;

// this calculation overflows

short_value += ival;

cout << "short_value: "<< short_value << endl;

表示 32768 这个有符号数需 17位的存储空间，但是这里仅有 16 位，于是导致溢出现象的发生，此时，许多系统都不会给出编译时或运行时的警告。对于不同的机器，上述例子的 short_value 变量真正获得的值不尽相同。在我们的系统上执行该程序后将得到：

short_value: -32768

其值“截断（wrapped around）”，将符号位的值由 0 设为 1，于是结果变为负数。因为算术类型具有有限的长度，因此计算后溢出的现象常常发生。

二元 +、 - 操作符也可用于指针值，对指针使用这些操作符的用法将在第4.2.4 节介绍。

算术操作符 +、-、* 和 / 具有直观的含义：加法、减法、乘法和除法。对两个整数做除法，结果仍为整数，如果它的商包含小数部分，则小数部分会被截除：

int ival1 = 21/6; // integral resultobtained by truncating the

remainder

int ival2 = 21/7; // no remainder, resultis an integral value

ival1 和 ival2 均被初始化为 3。于计算左操作数除以右操作数的余数。该操作符的操作数只能为整型，包括bool、char、short 、int 和 long 类型，以及对应的 unsigned 类型：

int ival = 42;

double dval = 3.14;

ival % 12; // ok: returns 6

ival % dval; // error: floating pointoperand

如果两个操作数为正，除法（/）和求模（%）操作的结果也是正数（或零）；如果两个操作数都是负数，除法操作的结果为正数（或零），而求模操作的结果则为负数（或零）；如果只有一个操作数为负数，这两种操作的结果取决于机器；求模结果的符号也取决于机器，而除法操作的值则是负数（或零）：

21 % 6; // ok: result is 3

21 % 7; // ok: result is 0

-21 % -8; // ok: result is -5

21 %-5; // machine-dependent: result is 1 or -4

21 / 6; // ok: result is 3

21 / 7; // ok: result is 3

-21 / -8; // ok: result is 2

21 / -5; // machine-dependent: result -4 or-5

当只有一个操作数为负数时，求模操作结果值的符号可依据分子（被除数）或分母（除数）的符号而定。如果求模的结果随分子的符号，则除出来的值向零一侧取整；如果求模与分母的符号匹配，则除出来的值向负无穷一侧取整。

5.2. 关系操作符和逻辑操作符

关系操作符和逻辑操作符（表 5.2）使用算术或指针类型的操作数，并返回bool 类型的值。

表 5.2. 关系操作符和逻辑操作符

下列操作符都产生 bool 值

操作符 功能 用法

! logical NOT（逻辑非）!expr

< less than（小于）expr < expr

<= less than or equal（小于等于） expr <= expr

> greater than（大于） expr > expr

>= greater than or equal（大于等于） expr >= expr

下列操作符都产生 bool 值

操作符 功能 用法

== equality（相等）expr == expr

!= inequality（不等）expr != expr

&& logical AND（逻辑与） expr && expr

|| logical OR（逻辑或）expr || expr

逻辑与、逻辑或操作符

逻辑操作符将其操作数视为条件表达式（第 1.4.1 节）：首先对操作数求值；若结果为 0，则条件为假（false），否则为真（true）。仅当逻辑与（&&）操作符的两个操作数都为 true，其结果才得 true 。对于逻辑或（||）操作符，只要两个操作数之一为 true，它的值就为 true。给定以下形式：

expr1 && expr2 // logical AND

expr1 || expr2 // logical OR

仅当由 expr1 不能确定表达式的值时，才会求解 expr2。也就是说，当且仅

当下列情况出现时，必须确保 expr2 是可以计算的：

? 在逻辑与表达式中，expr1 的计算结果为 true。如果 expr1 的值为

false，则无论 expr2 的值是什么，逻辑与表达式的值都为 false 。当

expr1 的值为 true 时，只有 expr2 的值也是 true ，逻辑与表达式的

值才为 true。

? 在逻辑或表达式中，expr1 的计算结果为 false。如果 expr1 的值为false，则逻辑或表达式的值取决于 expr2 的值是否为 true。逻辑与和逻辑或操作符总是先计算其左操作数，然后再计算其右操作数。只有在仅靠左操作数的值无法确定该逻辑表达式的结果时，才会求解其右操作数。我们常常称这种求值策略为“短路求值（short-circuit evaluation）”。

对于逻辑与操作符，一个很有价值的用法是：如果某边界条件使 expr2 的计算变得危险，则应在该条件出现之前，先让 expr1 的计算结果为 false。例如，编写程序使用一个 string 类型的对象存储一个句子，然后将该句子的第一个单词的各字符全部变成大写，可如下实现：

string s("Expressions in C++ arecomposed...");

string::iterator it = s.begin();

// convert first word in s to uppercase

while (it != s.end() &&!isspace(*it)) {

*it = toupper(*it); // toupper covered insection 3.2.4 (p. 88)

++it;

}

在这个例子中，while 循环判断了两个条件。首先检查 it 是否已经到达string 类型对象的结尾，如果不是，则 it 指向 s 中的一个字符。只有当该检验条件成立时，系统才会计算逻辑与操作符的右操作数，即在保证it 确实指向一个真正的字符之后，才检查该字符是否为空格。如果遇到空格，或者 s 中没有空格而已经到达 s 的结尾时，循环结束。

逻辑非操作符

逻辑非操作符（!）将其操作数视为条件表达式，产生与其操作数值相反的条件值。如果其操作数为非零值，则做 ! 操作后的结果为 false。例如，可如下在 vector 类型对象的 empty 成员函数上使用逻辑非操作符，根据函数返回值判断该对象是否为空：

// assign value of first element in vec tox if there is one

int x = 0;

if (!vec.empty())

x = *vec.begin();

如果调用 empty 函数返回false，则子表达式

!vec.empty()的值为true。

不应该串接使用关系操作符

关系操作符（<、<=、>、<=）具有左结合特性。事实上，由于关系操作符返回bool 类型的结果，因此很少使用其左结合特性。如果把多个关系操作符串接起来使用，结果往往出乎预料：

// oops! this condition does not determineif the 3 values are unequal

if (i < j < k) { /* ... */ }

这种写法只要 k 大于 1，上述表达式的值就为 true。这是因为第二个小于操作符的左操作数是第一个小于操作符的结果：true 或 false。也就是，该条件将 k 与整数 0 或 1 做比较。为了实现我们想要的条件检验，应重写上述表达式如下：

if (i < j && j < k) { /* ...*/ }

相等测试与bool 字面值

正如第 5.12.2 节将介绍的，bool类型可转换为任何算术类型——bool 值false 用 0 表示，而 true 则为 1。

由于 true 转换为 1，因此要检测某值是否与 bool 字面值true 相等，其等效判断条件通常很难正确编写：

if (val == true) { /* ... */ }

val 本身是 bool 类型，或者 val 具有可转换为 bool 类型的数据类型。如果 val 是 bool 类型，则该判断条件等效于：

if (val) { /* ... */ }

这样的代码更短而且更直接（尽管对初学者来说，这样的缩写可能会令人费解）。

更重要的是，如果 val 不是bool 值，val 和 true 的比较等效于：

if (val == 1) { /* ... */ }

这与下面的条件判断完全不同：

// condition succeeds if val is any nonzerovalue

if (val) { /* ... */ }

此时，只要 val 为任意非零值，条件判断都得 true。如果显式地书写条件比较，则只有当 val 等于指定的 1 值时，条件才成立。

【C++ Primer每日一刷之十】 操作符(一)

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