C++和标准库速成(二)——字面量、变量和运算符

1. 字面量

  字面量用于在代码中编写数字或字符串。C++支持大量的字面量，如下所示。

类别	示例
十进制字面量	123
八进制字面量	0173
十六进制字面量	0x7B
二进制字面量	0b1111011
浮点数	3.14f
双精度浮点数	3.14
十六进制浮点字面量	0x3.ABCp-10、0Xb.cp121
单个字符	‘a’
以零结尾的字符数组	“character array"

  还可以在数值字面量中使用数字分隔符，数字分隔符是一个单引号，示例如下。

23'456'789
0.123'456f

2. 变量

2.1 变量初始化

  在C++中，可在任何位置声明变量，并且可在声明一个变量所在行之后的任意位置使用该变量。声明变量时可不指定值，这些未初始化的变量通常会被赋予一个半随机值，这个值取决于当时内存中的内容。在C++中，也可在声明变量时为变量指定初始值。下面的代码给出了两种风格的变量声明方式，使用的都是代表整型值的int类型。

int uninitializedInt;
int initializedInt { 7 };

std::cout << std::format("{} is a random value\n", uninitializedInt);
std::cout << std::format("{} was assigned an initial value", initializedInt) << std::endl;

  运行结果如下：

  注意：当代码中使用了未初始化的变量时，多数编译器会给出警告或报错信息。当访问未初始化的变量时，某些C++环境可能会报告运行时错误。
  initializedInt变量使用统一初始化语法进行初始化。也可以使用下面的赋值语句进行初始化：
  initializedInt = 7;
  统一初始化在2011年的C++11标准中引入。建议使用统一初始化代替旧的赋值语法。

2.2 变量类型

  C++中的变量是强类型的，它们总是有一个特定的类型。C++自带一个可以开箱即用 的内置类型集合，如下表所示。

类型	说明	用法
(signed) int signed	正整数或负整数，范围取决于编译器(通常是四字节)	int i {-7}; signed int i {-6}; signed i {-5};
(signed) short (int)	短整型整数(通常是2字节)	short s {13}; short int s {14}; signed short s {15}; signed short int s {16};
(signed) long (int)	长整型整数(通常是4字节)	long l {-7L};
(signed) long long (int)	超长整型整数，范围取决于编译器，但不低于长整型(通常是8字节)	long long ll {14LL}:
unsigned (int) unsigned short (int) unsigned long (int) unsigned long long (int)	对前面的类型加以限制，使其值大于等于0	unsigned int i {2U}; unsigned j {5U}; unsigned short s {23U}; unsigned long l {5400UL}; unsigned long long ll {140ULL};
float	浮点型数字	float f {7.2f};
double	双精度数字，精度不低于float	double d {7.2};
long double	长双精度数字，精度不低于double	long double d {16.89L};
char unsigned char signed char	单个字符	char ch {'m'};
char8_t(从C++20开始) char16_t char32_t	单个n位UTF-n编码的Unicode字符，n可以是8，16，32	char8_t c8 {u8'm'}; char16_t c16 {u'm'}; char32_t c32 {U'm'};
wchar_t	单个宽字符，大小取决于编译器	wchar_t w {L'm'};
bool	布尔类型，取值为true或false	bool b {true};

  char类型与signed char和unsigned char类型是不同的类型，它只应该用来表示字符。根据你的编译器不同，它既可能是有符号的，也可能是无符号的，所以不因该用它来表示有符号或者无符号字符。
  与char相关的是，<cstddef>中提供了std::byte类型来表示单个字节。在C++17之前，char或unsigned char用来表示一个字节，但是那些类型使得像在处理字符。std::byte却能指明意图，即内存中的单个字节。一个byte可以用如下方式初始化：
  std::byte b { 42 };
  注意：C++并没有提供基本的字符串类型。但是作为标准库的一部分提供了字符串的标准实现。

2.3 数值极限

  C++提供了一种获取数值极限信息的标准方式，例如在当前的平台上一个整数能表示的最大值。在C中，你可以使用各种宏定义，例如INT_MAX。尽管这些方法在C++中仍然可以使用，但推荐的做法是使用定义在<limits>中的类模板std::numeric_limits，在使用类模板时需要在一对尖括号内指定需要的类型。

std::cout << "int:\n";
std::cout << std::format("Max int value: {}\n", std::numeric_limits<int>::max());
std::cout << std::format("Min int value: {}\n", std::numeric_limits<int>::min());
std::cout << std::format("Lowest int value: {}\n", std::numeric_limits<int>::lowest());

std::cout << "\ndouble:\n";
std::cout << std::format("Max double value: {}\n", std::numeric_limits<double>::max());
std::cout << std::format("Min double value: {}\n", std::numeric_limits<double>::min());
std::cout << std::format("Lowest double value: {}\n", std::numeric_limits<double>::lowest());

  运行结果：

  注意min()和lowest()的区别。对于一个整数，最小值等于最低值。对于浮点类型来说，最小值表示该类型能表示的最小正数，最低值表示该类型能表示的最小负数，即-max()。

2.4 零初始化

  可以用一个{0}的统一初始化器将变量初始化为0，0在这里是可选的。一对空的花括号组成的统一初始化器，{}，称为零初始化器。零初始化会将原始的整数类型初始化为0，将原始的浮点类型初始化为0.0，将指针类型初始化为nullptr，将对象用默认构造器初始化。示例如下：

float myFloat {};
int myInt {};

2.5 类型转换

  可使用类型转换方式将变量转换为其他类型。C++提供了3种方法显式地转换变量类型。第一种方法来自C，并且仍然被广泛使用，但是实际上已经不建议使用这种方法；第二种方法初看上去更自然，但很少使用；第三种方法最复杂，却最整洁，是推荐方法。

float myFloat { 3.14f };
int i1 { (int)myFloat }; // method1
int i2 { int(myFloat) }; // method2
int i3 { static_cast<int>(myFloat) }; // method3

  得到的整数是去掉小数部分的浮点数。在某些环境中，可自动执行类型转换或强制执行类型转换。例如short可自动转换为long，因为long代表精度更高的相同数据类型。

long someLong { someShort }; // no explicit cast needed

  当自动转换变量的类型时，应该了解潜在的数据丢失情况。例如将float转换为int会丢掉一些信息，并且如果浮点数表示的数字超过了整数可表示的最大值，转换结果可能是完全错误的。如果将一个float赋给一个int而不显式执行类型转换，多数编译器会给出警告甚至错误信息。如果确信左边的类型与右边的类型完全兼容，那么隐式转换也完全没问题。

2.6 浮点型数字

  处理浮点数数字可能比处理整型数字复杂。使用数量级不同的浮点值计算可能导致错误；计算两个几乎相同的浮点数的差时会导致精度丢失；很多十进制数不能精确地表示为浮点数。
  特殊的浮点数：
  1. +/-infinity：表示正无穷和负无穷。
  2. NaN：非数字的缩写。
  可以用std::isnan()判断一个给定的浮点数是否为非数字，用std::isinf()判断是否为无穷，这两个函数都定义在<cmath>中。此外，还可以通过numeric_limits获取这些特殊的浮点数。

3. 运算符

  下表中给出了C++中最常用的运算符以及使用这些运算符的示例代码。注意：在C++中，运算符可以是二元的、一元的甚至是三元的。在C++中只有一个条件运算符。

运算符	说明	用法
=	二元运算符，将右边的值赋给左边的变量	int i; i = 3; int j; j = i;
!	一元运算符，改变变量的真/假(非零/零)状态	bool b { !true }; bool b2 { !b };
+	执行加法的二元运算符	int i { 3 + 2 }; int j { i + 5 }; int k { i + j };
- * /	执行减法、乘法以及除法的二元运算符	int i { 5 - 1 }; int j { 5 * 2 }: int k { j / i };
%	二元运算符，求除法操作的余数，也称为mod运算符	int rem { 5 % 2 };
++	一元运算符，使变量自增1 如果运算符在变量之后(后增量)，表达式的结果是没有增加的值 如果运算符在变量之前(前增量)，表达式的结果是增加1后的新值	i++; ++i;
--	一元运算符，使变量值减1	i--; --i;
+= -= *= /= %=	i=i+j;的简写 i=i-j;的简写 i=i*j;的简写 i=i/j;的简写 i=i%j;的简写	i += j; i -= j; i *= j; i /= j; i %= j;
& &=	将一个变量的原始位与另一个变量执行按位与运算	i = j & k; j &= k;
| |=	将一个变量的原始位与另一个变量执行按位或运算	i= j | k; j |= k;
<< >> <<= >>=	对一个变量的原始位执行移位运算，每一位左移或右移指定的位数	i = i << 1; i = i >> 4; i <<= 1; i >>= 4;
^ ^=	执行两个变量之间的按位异或运算	i = i ^ j; i ^= j;

  下面的程序展示了最常见的变量类型以及运算符的用法。

int someInteger { 256 };
short someShort;
long someLong;
float someFloat;
double someDouble;

someInteger++;
someInteger *= 2;
someShort = std::static_cast<short>(someInteger);
someLong = someShort * 10000;
someFloat = someLong + 0.785f;
someDouble = static_cast<double>(someFloat) / 100000;
std::cout << std::format("someInteger: {}, someShort: {}, someLong: {}, someFloat: {}, someDouble: {}\n", someInteger, someShort, someLong, someFloat, someDouble) << std::endl;

  运行结果：

  关于表达式求值顺序，C++编译器有一套准则。如果某行代码非常复杂，包含多个运算符，其执行顺序可能不会一目了然。因此，最好将复杂表达式分成若干短小的表达式，或使用括号明确地将子表达式分组。示例如下：

//int i { 34 + 8 * 2 + 21 / 7 % 2 };
int i { 34 + ( 8 * 2 ) + ( ( 21 / 7 ) % 2) }; // add round brakets to make computation clear

  如果测试不加圆括号和加圆括号的代码，会发现这两种方法是等价的，其结果都是i等于51。如果你认为C++按从左到右的顺序对表达式求值，答案将是1。实际上，C++会首先对/、*以及%求值(从左向右)，然后才执行加减运算，最后是位运算。通过使用圆括号，可明确告诉编译器某个运算应该单独求值。
  运算符的计算顺序是由所谓的优先级决定的，优先级高的运算符要先于优先级低的运算符执行。下面给出了部分运算符的优先级，越靠上的运算符优先级越高，它们也将先执行。
  ++ --(后置)
  ! ++ --（前置)
  * / %
  + -
  << >>
  &
  ^
  |
  = += -= *= /= %= &= |= ^= <<= >>=

参考

[比] 马克·格雷戈勒著 程序喵大人 惠惠 墨梵 译 C++20高级编程(第五版)