C语言学习 10

一.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： . 、->

tip:上述的操作符，我们已经讲过算术操作符、赋值操作符、逻辑操作符、条件操作符和部分的单⽬操作符，今天继续介绍⼀部分，操作符中有⼀些操作符和⼆进制有关系，我们先铺垫⼀下⼆进制的和进制转换的知识。

二.二进制和进制转换

引言：

其实我们经常能听到 2进制(B)、8进制(O)、10进制(D)、16进制(H) 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常识：

• 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：

• 2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。

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的 0次方  , 10的 1次方  , 10的 2次方。

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的 0次方  , 2的 1次方  , 2的 2次方  ...

如果是2进制的1101，该怎么理解呢？

2.10进制转2进制数字

整数部分自下往上取，小数部分自上往下取。

3.2进制转8进制和16进制

转8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。

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

三.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。（推荐）

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。（后续计算大部分都是用补码进行计算）

为什么呢？

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。

四.移位运算符

<< 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。

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("%d ", num);
	printf("%d ", n);
	return 0;
}

运行结果：

对补码操作：

2.右移操作符

移位规则：⾸先右移运算分两种（选择哪种是由编译器决定的）

• 逻辑右移：左边⽤0填充，右边丢弃
• 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("num = %d \n", num);
	printf("n = %d ", n);
	return 0;
}

正数的右移和左移差不多，可以看一下负数的右移，以-1为例。

逻辑右移1：

算数右移1：

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

五.位操作符：&，|，^，~

位操作符有：

&  //按位与：对应的位进行运算，有0则为0，两者全为1才为1

|  //按位或：对应的位进行运算，有1则为1，两者全为0才为0

^  //按位异或：对应的位进行运算，相同为0，相异为1

~  //按位取反：对于补码，32位全部取反

注：他们的操作数必须是整数。

直接上代码：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int num1 = -3;
	int num2 = 5;
	// -3的原码:10000000 00000000 00000000 00000011
	// -3的反码:11111111 11111111 11111111 11111100
	// -3的补码:11111111 11111111 11111111 11111101
	//  5的补码:00000000 00000000 00000000 00000101
	// 
	// -3 & 5 :00000000 00000000 00000000 00000101  补=原
	// 
	// -3 | 5 :11111111 11111111 11111111 11111101  补
	//         10000000 00000000 00000000 00000011  原
	// 
	// -3 ^ 5 :11111111 11111111 11111111 11111000  补
	//         10000000 00000000 00000000 00001000  原
	// 
	//      0 :00000000 00000000 00000000 00000000
	//     ~0 :11111111 11111111 11111111 11111111 补
	//         10000000 00000000 00000000 00000001 原  

	printf("%d\n", num1 & num2); //5
	printf("%d\n", num1 | num2); //-3
	printf("%d\n", num1 ^ num2); //-8
	printf("%d\n", ~0); //-1
	return 0;
}

运算过程也在上面，好好理解一下。

！！！：计算出的是补码，要转化为原码。

⼀道变态的⾯试题：
不能创建临时变量（第三个变量），实现两个整数的交换。

//a^a = 0
//0^a = a

#include <stdio.h>
// ^ 遵循交换律
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	a = a ^ b;  //a' = a ^ b
	b = a ^ b;  //b = a' ^ b = (a ^ b) ^ b = a ^ (b ^ b) = a ^ 0 = a 原来的a 
	a = a ^ b;  //a = a' ^ b(原来的a) = (a ^ b) ^ a = b 原来的b
	printf("a = %d b = %d\n", a, b);
	return 0;
}

练习1：编写代码实现：求⼀个整数存储在内存中的⼆进制中1的个数。

	//⽅法1
#include <stdio.h>
int main()
{
	int num = 10;
	int count = 0;//计数
	while (num)
	{
		if (num % 2 == 1)
			count++;
		num = num / 2;
	}
	printf("⼆进制中1的个数 = %d\n", count);
	return 0;
}

//思考这样的实现⽅式有没有问题？
//⽅法2：
#include <stdio.h>
int main()
{
	int num = -1;
	int i = 0;
	int count = 0;//计数for(i=0; i<32; i++)
	{
//		   -1 : 10000000 00000000 00000000 00000001
//              11111111 11111111 11111111 11111111
//          1 : 00000000 00000000 00000000 00000001
	if (num & (1 << i))
		count++;
    }
printf("⼆进制中1的个数 = %d\n", count);
return 0;
}

//思考还能不能更加优化，这⾥必须循环32次的。
//⽅法3：
#include <stdio.h>
int main()
{
	int num = -1;
	int i = 0;
	int count = 0;//计数
	while (num)
	{
		//每进行一次都会去掉最后一个1
		num = num & (num - 1);
		count++;
	}
	printf("⼆进制中1的个数 = %d\n", count);
	return 0;
}
//这种⽅式是不是很好？达到了优化的效果，但是难以想到。

// 00000000 00000000 00000000 00000101  5  2个  num
// 00000000 00000000 00000000 00000100  4       num - 1
//&00000000 00000000 00000000 00000100     1个
// 
// 00000000 00000000 00000000 00000100          num
// 00000000 00000000 00000000 00000011          num - 1
//&00000000 00000000 00000000 00000000     0个

练习2：⼆进制位置0或者置1
编写代码将13⼆进制序列的第5位修改为1，然后再改回0

13的2进制序列： 00000000 00000000 00000000 00001101
将第5位置为1后：00000000 00000000 00000000 00011101
将第5位再置为0：00000000 00000000 00000000 00001101

参考代码：

#include <stdio.h>

// 13的补码:   00000000 00000000 00000000 00001101
// 1<<4的补码  00000000 00000000 00000000 00010000
// a|(1<<4)   00000000 00000000 00000000 00011101

//~(1<<4)     11111111 11111111 11111111 11101111
//a&~(1<<4)   00000000 00000000 00000000 00001101
int main()
{
	int a = 13;
	a = a | (1 << 4);
	printf("a = %d\n", a);
	a = a & ~(1 << 4);
	printf("a = %d\n", a);
	return 0;
}

六.单目操作符

单⽬操作符有这些：
！、++、--、&、*、+、-、~ 、sizeof、(类型)

单⽬操作符的特点是只有⼀个操作数，在单⽬操作符中只有&和*没有介绍，这2个操作符，我们放在学习指针的时候讲解。

七.逗号表达式

exp1, exp2, exp3……

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。

//代码1int a = 1;int b = 2;
int c = (a>b, a=b+10, a, b=a+1);//逗号表达式c是多少？
//代码2
if (a =b + 1, c=a / 2, d > 0)
//代码3
a = get_val();
count_val(a);
while (a > 0)
{
//业务处理
//...
a = get_val();
count_val(a);
}
如果使⽤逗号表达式，改写：
while (a = get_val(), count_val(a), a>0)
{
//业务处理
}

八.下标访问[]，函数调用()

1.[]下标引用操作符

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;//实⽤下标引⽤操作符。
[ ]的两个操作数是arr和9。

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。

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

九.结构成员访问操作符

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。

2.结构的声明

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

描述一个学生：

struct student
{
  char name[20];  //名字
  int age;  //年龄
  char sex[5];  //性别
  char id[20];  //学号
}; //分号不能丢

3.结构体变量的定义和初始化

//代码1：变量的定义
struct point
{
	int x, y, z;
}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 p1 = { 1,2,3 };

有三种定义和初始化方式，接下来我是按照我喜欢的方式来写。

！！！：后面的;一定不可遗漏。

struct student
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[6];
};

struct student s1 = { "tan", 18, "女" };
struct student s2 = { .name = "tong", .age = 18, .sex = "男"};  
//可以按照你喜欢的顺序赋值，但要加一个点.

在结构体中同样存在嵌套语句的形式，把每一个量对应好就可以了。

//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

4.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;
};
struct point p = { 1,2 };
int main()
{
	printf("x = %d y = %d\n", p.x, p.y);
	return 0;
}

#include <stdio.h>
struct point
{
	int x;
	int y;
};
struct point p;
int main()
{
	scanf("%d %d", &p.x, &p.y);
	printf("x = %d y = %d\n", p.x, p.y);
	return 0;
}

第一张仅仅是输出，第二张带输入，输出。但二者的使用方式是相同的。

使⽤⽅式：结构体变量.成员名

十.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。

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 。

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 / 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。

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

十一.表达式求值

1.整型提升

C语⾔中整型算术运算总是⾄少以缺省（默认）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-purposeCPU）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unsignedint，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

举个例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
	//char输出范围：-128 ~ 127
	char c1 = 5;
	char c2 = 126;
	char c3 = c1 + c2;
	//5的补码:   00000000 00000000 00000000 00000101  四个字节
	// c1:      00000101                             一个字节，需要截断
	// 
	//126的补码: 11111111 11111111 11111111 01111110  四个字节
	// c2:      01111110                             一个字节，需要截断
	// 
	//c1整型提升:00000000 00000000 00000000 00000101
	//c2整型提升:00000000 00000000 00000000 01111110
	// c1 + c2 :00000000 00000000 00000000 10000011
	// c3:      10000011                             一个字节，需要截断
	//%d整型提升:11111111 11111111 11111111 10000011  补码
	//          10000000 00000000 00000000 01111100  反码
	//          10000000 00000000 00000000 01111101  原码   -125   
	printf("%d\n", c3);
	return 0;
}

但实际情况下，由于char是循环的，也可以这么看：

按顺序加1即可。

2.算数转换（自下往上转）

如果某个操作符的各个操作数属于不同的类型，那么除⾮其中⼀个操作数的转换为另⼀个操作数的类型，否则操作就⽆法进⾏。下⾯的层次体系称为寻常算术转换。

long double
double
float
unsigned long int
long int
unsigned int
int

如果某个操作数的类型在上⾯这个列表中排名靠后，那么⾸先要转换为另外⼀个操作数的类型后执⾏运算。

3.问题表达式解析

表达式1：

//表达式的求值部分由操作符的优先级决定。
//表达式1
a*b + c*d + e*f

表达式1在计算的时候，由于 * ⽐ + 的优先级⾼，只能保证， * 的计算是⽐ + 早，但是优先级并不能决定第三个 * ⽐第⼀个 + 早执⾏。
所以表达式的计算机顺序就可能是：

a*b
c*d
a*b + c*d
e*f
a*b + c*d + e*f

a*b
c*d
e*f
a*b + c*d
a*b + c*d + e*f

表达式2：

//表达式2
c + --c;

同上，操作符的优先级只能决定⾃减 -- 的运算在 + 的运算的前⾯，但是我们并没有办法得知， + 操作符的左操作数的获取在右操作数之前还是之后求值，所以结果是不可预测的，是有歧义的。

表达式3：

//表达式3int main()
{
    int i = 10;
    i = i-- - --i * ( i = -3 ) * i++ + ++i;
    printf("i = %d\n", i);
    return 0;
}

表达式3在不同编译器中测试结果：⾮法表达式程序的结果

表达式4：

#include <stdio.h>
int fun()
{
    static int count = 1;
    return ++count;
}
int main()
{
    int answer;
    answer = fun() - fun() * fun();
    printf( "%d\n", answer);    //输出多少？
    return 0;
}

这个代码有没有实际的问题？有问题！
虽然在⼤多数的编译器上求得结果都是相同的。
但是上述代码 answer = fun() - fun() * fun(); 中我们只能通过操作符的优先级得知：先算乘法，再算减法。
函数的调⽤先后顺序⽆法通过操作符的优先级确定。