【C语言】操作符超详解

用户11375356

发布于 2024-11-22 20:35:59

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1. 操作符的分类

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： . ->

2. 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：

15的2进制：1111 15的8进制：17 15的10进制：15 15的16进制：F 16进制的数值之前写：0x 8进制的数值之前写:0

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

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。

2.1 2进制转10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进制的每⼀位是有权重的，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 10 , 10 , 10 ... 0 1 2

如下图：

2进制和10进制是类似的，只不过2进制的每⼀位的权重，从右向左是: 2 , 2 , 2 ... 0 1 2

如果是2进制的1101，该怎么理解呢？

2.1.1 10进制转2进制数字

2.2 2进制转8进制和16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。

2.2.2 2进制转16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

3. 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。

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。

4. 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。

4.1 左移操作符

移位规则：左边抛弃、右边补0

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

运行结果：

4.2 右移操作符

移位规则：⾸先右移运算分两种：

1. 逻辑右移：左边⽤0填充，右边丢弃

2. 算术右移：左边⽤原该值的符号位填充，右边丢弃

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

运行结果：

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：

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

5. 位操作符：&、|、^、~

位操作符有：

& 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。

举个例子：

& 按位与

int main()
{
	int a = 4;
	int b = -7;
	int c = a & b;
	//使用补码进行按位与
	//对应二进制位有0就是0，两个同时为1才为1
	//00000000000000000000000000000100  4的补码

	//10000000000000000000000000000111 -7的原码
	//11111111111111111111111111111000 -7的反码
	//11111111111111111111111111111001 -7的补码
 
	//00000000000000000000000000000100  4的补码
	//11111111111111111111111111111001 -7的补码
	//00000000000000000000000000000000 按位与得到的结果就是0（正整数的原、反、补码都相同）

	printf("%d\n", c);

	return 0;
}

运行结果：

| 按位或

int main()
{
	int a = 4;
	int b = -7;
	int c = a | b;
	//使用补码进行按位或
	//对应二进制位有1就是1，两个同时为0才为0
	//00000000000000000000000000000100 - 4的补码
	
	//10000000000000000000000000000111 -7的原码
	//11111111111111111111111111111000
	//11111111111111111111111111111001 -7的补码
	
	//00000000000000000000000000000100 - 4的补码
	//11111111111111111111111111111001 -7的补码
	
	//11111111111111111111111111111101 - c中的补码
	//10000000000000000000000000000010
	//10000000000000000000000000000011 - 原码

	printf("%d\n", c);

	return 0;
}

运行结果：

^ 按位异或

int main()
{
	int a = 4;
	int b = -7;
	int c = a ^ b;
	//使用补码进行按位异或
	//规则：相同为0，相异位1
	//00000000000000000000000000000100 - 4的补码
	// 
	//10000000000000000000000000000111 -7的原码
	//11111111111111111111111111111000
	//11111111111111111111111111111001 -7的补码
 
	//00000000000000000000000000000100 - 4的补码
	//11111111111111111111111111111001 -7的补码
	//11111111111111111111111111111101 c中的补码
	//10000000000000000000000000000010
	//10000000000000000000000000000011 c的原码

	printf("%d\n", c);

	return 0;
}

运行结果：

~ 按位取反

int main()
{
	int a = 0;
	int b = ~a;
	//按位取反就是对应二进制位是0变成1,1变成0~
	//00000000000000000000000000000000 - 补码
	//11111111111111111111111111111111 - b中的补码
	//10000000000000000000000000000000
	//10000000000000000000000000000001 -- -1
	printf("%d\n", b);//-1

	return 0;
}

运行结果：

6. 逗号表达式

1. 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

举个例子：

int main()
{
	//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
	printf("%d", c);
	return 0;
}
打印结果：13

7. 下标访问[]、函数调⽤()

操作数：⼀个数组名 + ⼀个索引值(下标)

int arr[10]; //创建数组 arr[9] = 10;//使用下标引⽤操作符。 [ ]的两个操作数是arr和9。

7.2 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。

举个例子：

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

8. 结构成员访问操作符

8.1 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。

8.1.1 结构的声明

struct tag
{
 member-list;
}variable-list;

描述⼀个学⽣：

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

8.1.2 结构体变量的定义和初始化

//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

//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

8.2 结构成员访问操作符

8.2.1 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：

#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

8.2.2 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：

#include <stdio.h>
struct Point
{
 int x;
 int y;
};
int main()
{
 struct Point p = {3, 4};
 struct Point *ptr = &p;
 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：

#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;
}

9. 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。

9.1 优先级

优先级指的是，如果⼀个表达式包含多个运算符，哪个运算符应该优先执⾏。各种运算符的优先级是不⼀样的。

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 。

9.2 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（ = ）。

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。

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，建议不要写出特别复杂的表达式。

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

10. 表达式求值

10.1 整型提升

C语⾔中整型算术运算总是⾄少以缺省整型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
//实例1 char a,b,c; ... a = b + c;

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？

1. 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

2. ⽆符号整数提升，⾼位补0

//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