• C++提供了一套运算符并定义了它们作用于内置类型时的操作
  • 运算对象是类类型时，允许重载运算符
  • 表达式由一个或多个运算对象组成，对表达式求值返回结果。把运算符和运算对象组合可得到复杂表达式。

基础

基本概念

  • 一元运算符作用于一个对象，二元运算符作用于两个对象，还有三元运算符?:。函数调用也是特殊的运算符，其运算对象数量没有限制。
  • 一个符号是什么运算符由上下文指定，如*
  • 理解表达式的含义，首先要知道运算符的优先级、结合律，以及运算对象的求值顺序。
  • 运算符中经常进行类型转换，常见的是整型提升，如小整型（bool、char、short）被提升为int
  • 重载运算符：为已存在的运算符赋予另外的操作。其中，运算对象和返回值的类型、操作方式都可重载，运算对象的个数、运算符的优先级和结合律不可重载。
  • C++的表达式都是右值或左值。它们的含义不仅仅是能不能位于赋值语句的左侧（反例如const等）。
  • 当对象被用作右值时，用的是对象的值（内容）。当对象被用作左值时，用的是对象的身份（在内存中的位置）。
  • 除右值引用外，需要右值的地方都能用左值代替，反之不可。当左值被作为右值使用时，用的是它的值。
  • 运算符的左右值要求：
    • 赋值符=需要非常量左值作为左侧对象，返回结果也是左值
    • 取地址符&作用于左值对象，返回指向该对象的指针，该指针是右值
    • 内置解引用*、内置下标[]、迭代器解引用*、string和vector的下标[]，它们返回的结果都是左值
    • 内置和迭代器的递增++递减--作用于左值对象，其前置版本返回左值
  • 若表达式求值结果是左值，则decltype的结果是引用类型。例如int *p;求decltype(*p)的结果是int &

优先级与结合律

  • 复合表达式是含有两个或多个运算符的表达式
  • 优先级和结合律决定了运算对象的组合方式。先看优先级，一致时看结合律
  • 括号()无视优先级和结合律
  • 算术运算符和IO运算符都满足左结合律

求值顺序

  • 求值顺序定义了多个运算对象哪个先被求值，如f1()*f2()中哪个函数先被调用
  • 对于未指定求值顺序的运算符，若表达式指向并修改了同一个对象，则行为未定义。如cout<<i<<i++;
  • 明确规定求值顺序的4种运算符：逻辑与&&、逻辑或||、条件?:、逗号,
  • 最佳实践：
    • 拿不准优先级和结合律时，用括号。
    • 若表达式某处改变了某对象的值，则其他地方不要使用它。例外：*++iter

算术运算符

技术图片

  • 如上表是算术运算符，其中一元运算符优先级最高，其次乘除和求余，最后加减。
  • 算术运算符都满足左结合律
  • 算术运算符的运算对象和结果都是右值。
  • 算术表达式求值前，小整型都会被提升。所有对象最终都转换成同一种类型
  • 一元正号、加减都可用于指针。一元正号作用于指针或算术值时，返回（提升后的）副本，一元负号对对象的值取负后，返回（提升后的）副本。
  • 算术运算符的结果可能溢出，其结果与机器相关，不可预知
  • 参与取余%的运算对象必须都是整型，不可用浮点做转换
  • 除法运算/中，C++的早期版本允许结果为负时向上或向下取整，C++11之后规定商一律向0取整，即直接切除小数部分。
  • 取余运算%中，若m和n是整数且n非0，则表达式(m/n)*n+m%n的结果为m。即，若m%n不为0，则其符号与m相同。C++的早期版本允许m%n的符号匹配n的符号且商向负无穷侧取整，但在C++11中被禁止了。除了-m导致溢出的特殊情况，(-m)/n和m/(-n)都等于-(m/n)，m%(-n)等于m%n，(-m)%n等于-(m%n)
  • 例子：负数的除法和取余
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21%6;   /*结果是3*/     21/6;   /*结果是3*/
21%7;   /*结果是0*/     21/7;   /*结果是3*/
-21%-8; /*结果是-5*/    -21/-8; /*结果是2*/
21%-5;  /*结果是1*/     21/-5;  /*结果是-4*/

逻辑和关系运算符

技术图片

  • 关系运算符作用于算术或指针类型，逻辑运算符作用于任何能转换为bool的类型。它们的返回类型都是bool型右值。
  • 逻辑与&&、逻辑或||都是短路求值，先求左侧，仅由左侧无法确定表达式结果时再求右侧。
    • 逻辑与&&仅当左侧为真时才求右侧
    • 逻辑或||仅当左侧为假时才求右侧
  • 使用中，可由逻辑与或的短路求值特性保证访问安全，例如index!=s.size() && !isspace(s[index])
  • 访问大对象时尽量用引用，避免发生拷贝
  • 逻辑与或都满足左结合律，逻辑非满足右结合律。
  • 关系运算符都满足左结合律，因此不能出现i<j<k这种写法。
  • 进行比较时除非比较对象都是严格的bool类型， 否则不要用==true等字面值，因为true提升为整型时是1，不是任何非零值都能==true

赋值运算符

  • 赋值运算符的左侧对象必须是可修改的左值，其返回结果就是左侧对象，也是左值。
  • 如果左右类型不匹配，将右侧转为左侧类型。
  • 类类型的赋值运算符由类本身决定，如vector模板重载了赋值运算符使其可接收花括号列表作为初值。
  • 无论左侧对象的类型是什么，初始值列表都可为空。此时编译器创建一个值初始化的临时量来初始化。
  • 赋值运算满足右结合律，即多重赋值语句a=b=c;解读为a=(b=c);，前面所有类型或者和最右侧类型相同，或者可由最右侧类型转换得到。
  • C++允许赋值运算的结果作为条件，所以=和==要分清。
  • 复合赋值运算符：
    • 算术运算符： += -= *= /= %=
    • 位运算符： <<= >>= &= |= ^=
  • 复合运算符更快：复合运算符a+=b仅求值一次，普通运算符a=a+b求值两次，一次加法一次赋值。

递增和递减运算符

  • 由于很多迭代器不支持算术运算，故++和--的存在有其意义。
  • 递增和递减符都作用于左值对象。
  • ++i被称为前置版本，i++被称为后置版本。
  • 前置版本和后置版本的区别：
    • 前置版本将对象+1或-1后，将对象本身作为左值返回
    • 后置版本将对象+1或-1后，将对象原始值的副本作为右值返回
  • 应尽量使用前置版本，因为比后置版本少一次拷贝，避免了不必要的工作。
  • 混用解引用和递增可实现简洁性：cout<<*iter++;等价于cout<<*iter; ++iter;
  • 由于求值顺序经常未指定，所以不要在一条语句中出现a和a++，如*beg=toupper(*beg++);未定义，可被解读为*beg=toupper(*beg)或*(beg+1)=toupper(*beg)

成员访问运算符

  • 点运算符.获取类对象的一个成员，箭头运算符->由解引用*和点运算符.组成，即ptr->mem等价于(*ptr).mem，括号不可省略，因为点优先级比解引用高。
  • 箭头运算符作用于指针，得到对象的成员，结果是左值。（因为解引用得到的一定是引用，引用是左值）
  • 点运算符取决于对象：对象是左值就返回左值，对象是右值就返回右值。

条件运算符

  • 条件运算符?:允许把简单的if-else逻辑嵌入单个表达式。用法如cond?expr1:expr2
  • 条件运算符定义了求值顺序，类似于短路求值，根据cond的结果来决定执行expr1还是expr2，只会执行一个。
  • 如果expr1和expr2都是左值或能转换为同一种左值类型，则运算结果是左值。否则是右值。
  • 条件运算符满足右结合律，即a?b:c?d:e应解读为a?b:(c?d:e)

位运算符

  • 位运算符作用于整型对象。另外，一种名为bitset的标准库类型也可表示任意大小的二进制位集合，位运算符也可作用于bitset对象。 技术图片
  • 位运算符遇到小整型（如bool、char、short等），会先将其自动提升再运算。
  • 如果位运算符的运算对象是signed且值为负，则处理符号位的方式取决于机器。左移右移会改变符号位，是未定义行为。
  • 移位运算符<<和>>：首先令左侧运算对象按照右侧运算对象的要求移动指定位数，然后将移动后的（可能被提升了）左侧对象的拷贝作为结果。其中右侧对象一定不能为负，且值必须严格小于左侧位数。移出边界的位被舍弃。
  • 移位运算符满足左结合律
  • 左移运算符向右侧插入0，右移运算符向左侧插入的数值取决于类型和机器：unsigned类型插入0，signed类型取决于机器和编码方式。
  • 例子：移位和整型提升
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unsigned char bits=0233;    //10011011
bits<<8;    //提升为int大小，再左移8位，00000000 00000000 10011011 00000000
bits<<31;   //提升为int大小，再左移31位，10000000 00000000 00000000 00000000
bits>>3;    //提升为int大小，再右移3位，00000000 00000000 00000000 00010011
  • 对char等小整型按位取反~也会先提升为int大小再取反。

sizeof运算符

  • sizeof运算符返回一条表达式或一个类型所占的字节数，满足右结合律，返回值是size_t类型的常量表达式。
  • 两种形式：sizeof(type)、sizeof expr
  • sizeof不会计算运算对象的值，所以可以：
    • 可在sizeof里解引用无效指针，因为不会真的解引用。
    • 可在sizeof里用域操作符::获取类成员大小，而不需要对象和成员。
  • sizeof的结果取决于运算对象的类型：
    • char型表达式返回1
    • 引用做sizeof返回被引用对象所占空间大小
    • 指针做sizeof返回指针本身所占空间大小
    • 解引用指针做sizeof返回指向对象所占空间大小
    • 数组做sizeof得到整个数组所占空间大小，（attention：sizeof不会把数组当指针处理）
    • string或vector求sizeof只返回固定部分的大小，不会计算对象实际占用空间
  • 常用于计算数组长度的方法是：sizeof(ia)/sizeof(*ia)，结果是constexpr，可用于声明新数组。

逗号运算符

  • 接受两个对象，遵循从左往右的求值顺序
  • 计算过程：对左侧求值，将结果丢弃，再对右侧求值，返回右侧求值结果。如果右侧是左值，则返回也是左值。
  • 实质上是将多个顺序执行的表达式写为一行的手段。

类型转换

  • 隐式转换自动执行，不需程序员介入。算术类型的隐式转换被设计为尽量避免损失精度。
  • 隐式转换发生的情形：
    • 整型提升
    • 条件中非bool转bool
    • 初始化时初始值转为变量类型，赋值时右侧对象转为左侧类型
    • 算术运算或关系运算中有多种类型，最终会统一
    • 函数调用时也会有类型转换

算术转换

  • 算术转换：把运算对象（算术类型）转为最宽的类型，同时有整型和浮点时将整型转浮点。
  • 整型提升：把小整型转为大整型。
    • 小整型（bool、char、signed char、unsigned char、short、unsigned short等），只要值能放进int就转为int，放不进int就放进unsigned int
    • 宽字符（wchar_t、char16_t、char32_t）提升为int、unsigned int、long、unsigned long、long long、unsigned long long中能装进去的最小者
  • signed和unsigned的转换：
    • 若unsigned类型不小于signed类型，直接将signed转为unsigned
    • 若unsigned类型小于signed类型，且该unsigned类型的值都能装进该signed类型，则unsigned转为signed
    • 若unsigned类型小于signed类型，且该unsigned类型的值不都能装进该signed类型，则signed转为unsigned
  • 例子：算术转换
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bool    flag;   char            cval;
short   sval;   unsigned short  usval;
int     ival;   unsigned int    uival;
long    lval;   unsigned long   ulval;
float   fval;   double          dval;
3.14159L+‘a‘;   //‘a‘提升为int，再转为long double
dval+ival;      //ival转double
dval+fval;      //fval转double
ival=dval;      //dval切除小数部分转int
flag=dval;      //dval是0则false，否则true
cval+fval;      //cval提升为int，再转float
sval+cval;      //sval和cval都提升为int
cval+lval;      //cval转long
ival+ulval;     //ival转unsigned long
usval+ival;     //未定义，根据unsigned short和int所占空间大小做转换
uival+lval;     //未定义，根据unsigned int和long所占空间大小做转换

其他隐式类型转换

  • 数组转指针：
    • 大多数用到数组的表达式中，数组自动转为指向首元素的指针
    • 在表达式中使用函数类型也会转为函数指针
    • 例外：decltype、取地址&、sizeof、typeid运算符不会将数组转指针
    • 例外：用引用初始化数组时也不会转指针
  • 指针的转换：
    • 0或nullptr可转为任意指针类型
    • 指向任意非常量的指针能转为void *
    • 指向任意对象的指针能转为const void *
  • 转换为常量：允许将指向非常量的指针或引用转为指向常量的指针或引用。但反之不可，底层const不可删除。
  • 类类型的转换：类类型可定义转换，但编译器只能执行一步转换。

显式转换

  • 强制类型转换：手动指定要转换的变量和要转换为的类型，经常是很危险的。
  • 显式转换形式为cast-name<type>(expression)，若type是引用类型，则返回左值。cast-name是static_cast、dynamic_cast、const_cast、reinterpret_cast中的一种。
  • static_cast：只要不包含底层const，都可使用。例如将大算术类型转为小算术类型、浮点转整型、编译器无法自动执行的类型转换
  • 可用static_cast找回存在于void *指针中的值，将其强制转换为原来的类型。
  • 例子：static_cast找回void *指针中的值
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double d=3.14;
void *p=&d;                             //任何非常量对象的地址都能放进void *指针
double *dp=stataic_cast<double *>(p);   //将指针转回指向double型
  • const_cast：只能改变对象的底层const。（attention，用const_cast去掉底层const之后不可对其写入，这是未定义行为）
  • 如果对象是常量，用const_cast去掉常量后执行写操作是未定义行为。
  • const_cast常用于有函数重载的上下文，其他情况下不可使用。
  • reinterpret_cast：为运算对象的位模式提供较低层次上的重新解释，即内存中的bits不变，改变解读方式。它依赖于机器，非常危险。
  • 建议避免使用强制类型转换，尤其是reinterpret_cast
  • 早期C++中，显式类型转换的形式为type(expr)和(type)expr。在某处使用旧式强制转换时，若换为const_cast和static_cast也合法，就当作const_cast和static_cast，否则当作reinterpret_cast。因为指代不明，故建议不使用。

运算符优先级表

下表列出了C++的全部运算符，双横线分为若干组，组越靠前优先级越高，同一组内优先级相同。 技术图片