第10讲：操作符详解

用户11290648

发布于 2024-09-25 14:34:07

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1. 操作符的分类

• 算术操作符： + 、 - 、 * 、 / 、 %

• 移位操作符: << >>（移动的是二进制位）

• 位操作符: & | ^（使用二进制位进行计算）

• 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： . 、 ->

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。

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

就比如十进制的123，个位数的权重是十的零次方，十位数的权重是十的一次方，百位数的权重是十的二次方，依此类推，123 = 3 * 1 +2 * 10 + 3 * 100。

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

• 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。

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的0次方、 10的一次方、 10的二次方 ...

如下图：

10进制123每一位权重的理解

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2次方、 2的三次方 ·····

如果是2进制的1101，该怎么理解呢？

2进制1101每⼀位权重的理解

2.1.1 10进制转2进制数字（除2取余的方式来计算）

2.2 2进制转8进制和16进制

2.2.1 2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。

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”。

对于无符号整数来说，无符号整数只有数值位，在2进制序列中，全部都是数值位。

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。（两个变量运算的时候也是拿补码来运算的）

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。

-1的补码是全1。

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。移动的是存储在内存中的二进制位（补码）。

4.1 左移操作符

移位规则：左边抛弃、右边补0、

左移操作符演示

补码左移一位后得到新的补码，对新的补码进行取反＋1得到新的原码，由新的原码可以得到值。 左移一位有乘2的效果，右移一位有除2的效果。

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

右移到底是采用算术右移还是逻辑右移是取决于编译器的！通常采用的都是算术右移。

逻辑右移1位演示

算术右移1位演示

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。

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。

1.对于按位与来说，要用两个操作数的补码的二进制位进行运算。运算规则：对应的二进制位，有0则为0，两个同时为1，才为1。写法：

2.对于按位或来说，要用两个操作数的补码的二进制位进行运算。运算规则：对应的二进制位，只要有1就是1，两个同时为0，才为0。写法：

3.对于按位异或来说，要用两个操作数的补码的二进制位进行运算。运算规则：对应的二进制位，相同为0，相异为1。对于按位与、按位或、按位异或，都是双目操作符，有两个操作数。写法：

4.对于按位取反来说，要用一个操作数的补码的二进制位进行运算。运算规则：按二进制位取反，把0变成1，把1变成0。写法：

注：这几个操作符都能影响到符号位。

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。

这种算法好像解决了问题又好像有点问题，但这两个变量小的时候，这种算法还可以，这两个变量是整型，有他们的上限，如果a、b都特别大，但是又没超过一个整型大小，但是它们两个相加得到的数字就超过了整型大小，a + b的值放到a里面就放不下这个值了，这个时候有些值就丢了，这个时候就放不下原来的值了，这个时候可能就会导致问题。

这个代码交换两个整型变量是没有任何问题的，这个操作符可以作用于两个操作数运算的。

^操作符的特点：

3 ^ 3 = 0; a ^ a = 0; 3 ^ 3 ^ 5 = 5;异或支持交换律 3 ^ 5 ^ 3 = v

假如我们就要交换整型变量，我们是用方法1还是用方法2呢？

建议还是用方法1。1：虽然多创建了空间，但这种代码可读性高，容易理解。2：这种方法效率很高。第二种方法，1：虽然也能解决问题，但是它的可读性差。2：效率没有第一种方法高。第二种写法是面试官逼着我们写出来的，没有面试官，我们想不到这种方法。

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。

int count_bit_one(int n) { int count = 0; while (n) { if (n % 2 == 1) count++; n = n / 2; } return count; } int main() { int num = 0; scanf("%d", &num); int ret = count_bit_one(num); printf("%d\n", ret); return 0; } 对于上面的这个代码，当我们输入-1的时候，得到的值为0。我们知道，运算的时候都是拿补码来运算的，-1的补码全是1，而结果是0。其实是因为当我们运算的时候，-1%2的余数是-1，-1/2的值是0，count的值没有改变，这个时候得到的值就是0。如果想把-1的补码全都变成有效位，就要让它传的是无符号整型。无符号整形站在1的补码这个角度就会认为是一个非常大的正数。

另一种写法：

如果我们想知道一个补码的最后一位是0还是1，就让这个数按位与1就可以了，前面的都是0，得到最后的结果就是1或者0。

下面这个效率更高，这种算法是有几个1算几次，前两种算法是不管有几个1，都要算32次。

写一个代码判断是不是2的次方数。

if (a & (a - 1) == 0) printf("yes!"); 2的次方数只有这样的： 00000000000000000000000000000010 00000000000000000000000000000100 00000000000000000000000000001000 …………

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： 00000000000000000000000000001101

将第5位置为1后：00000000000000000000000000011101

将第5位再置为0：00000000000000000000000000001101

这里我们可以想象将操作数的第5位按位或1（按位或的数第n位为1，其它全为0，这里把这个数称为x）就可以了，但是如果要求的是第n位修改为1的话怎么办？这时我们可以让该操作数按位与或1的左移n-1位就可以了。

得到的结果是29，说明操作成功。

要将第n位再改回去，可以让得到的值按位与第n位的0（按位与的数第n位为0，其它的全为1），但如何得到这样一个值呢？可以让1向左移动n-1位，再取反就可以了。

当然，下面这样写也是可以的。

二进制位的操作其实在嵌入式、单片机编程中非常常见。

6. 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学习。

7. 逗号表达式

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。

从左向右计算，a > b,这个表达式虽然没有产生实质性的效果，这个表达式为假，也就是为0，对a和b没有影响，a = b + 10，a这个时候等于12，单独给个a，说明它也是12，12＋1赋给b，这个时候b就是13，最后一个表达式的结果赋给c，c就是13。

if语句也可以写逗号表达式 int main() { int a = 0; int b = 0; int c = 0; int d = 0; if (a = b + 1, c = a / 2, d > 0) return 0; } 要看最后一个表达式的结果来决定if要不要进去。

下面这段代码是一段伪代码，所谓伪代码就是不是真实的代码，是一段假的代码，这段代码没有实际的意义。

a = get_val(); count_val(a); while (a > 0) { //业务处理 //... a = get_val(); count_val(a); } 这种代码看起来比较冗余，可以采用逗号表达式的形式 while (a = get_val(), count_val(a), a > 0) { //业务处理 }

8. 下标访问[]、函数调用()

8.1 [ ] 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] = { 1,2,3,4,5 };这个arr[10]的[ ]不叫下标引用操作符，只是在数组定义时的一种语法，是指定数组元素大小的，这个地方不是在访问数组的某个元素。 arr[4];//数组中下标是4的元素 //[ ]这个方块就是下标引用操作符，通过这样的操作符来访问arr数组中下标为4的元素 //[ ]的两个操作数是arr和4。4既叫下标又叫索引。

8.2 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。

当我们在调用函数的时候，会怎么写呢？

int Add(int x, int y) { return x + y; } int main() { printf("haha\n");//()就是函数调用操作符 printf("%d\n", 100)//这里的操作数是printf和"%d\n"（包括这个双引号，这是一个格式字符串）和100 int ret = Add(3, 5);//这里的()也是函数调用操作符，操作数是：Add和3和5 return 0; } 函数调用操作符至少有1个操作数。因为当一个函数不传参的时候，直接去使用，这个时候就没有参数的概念了，一个函数调用的时候可以没有参数，但是不能没有函数名。至少有一个操作数就是函数名。

比如说我们调用printf函数，在调用printf函数的时候，会发现都写了括号，在调用函数的时候，函数名后面写的这个括号，就是函数调用操作符。

9. 结构成员访问操作符

9.1 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。

9.1.1 结构的声明

结构体的关键字叫struct，关键字的后面 tag 是一个标签名，这个标签名自定义，下面是一个大括号，里面是成员列表，大括号里面可以有一个成员，有多个成员，但不能没有成员，至少有一个。variable-list是变量列表，下面再给大家说。

struct tag

{

member- list ;

}variable- list ;

struct student { //下面这些就称为成员变量 char name[20]; int age; float score; }; 结构体里面，这些叫做成员变量，这些变量放在一起叫做成员列表。那要如何创建一个变量呢？类型创建变量，struct student构成一个类型名 struct student s1;

9.1.2 结构体变量的定义和初始化

struct student { //下面这些就称为成员变量 char name[20]; int age; float score; }s4,s5,s6;//这里可以写一个，也可以写多个，也可以一个不写，不写的时候就没有创建变量。我们用struct student类型创建了变量，这里可以写多个变量，所以叫变量列表。在这创建s4,s5,s6和s3是一样的，也是全局变量。 //s4,s5,s6也是用结构体创建的变量， struct student s3;//全局变量 int main() { struct student s1;//局部变量 struct student s2; return 0; } 当然在变量创建的同时也可以给它一些值。结构体变量在初始化的时候用{}。 struct student { //下面这些就称为成员变量 char name[20]; int age; float score; }s4,s5,s6;//这里也可以初始化，例如： struct student { //下面这些就称为成员变量 char name[20]; int age; float score; }s4={······},s5,s6; struct student s3 = { "王五",20,88.8 };//全局变量 int main() { struct student s1 = { "翠花",20,98.0 };//局部变量 struct student s2 = { "旺财",16,68.8 }; return 0; } 对结构体嵌套的初始化：

9.2 结构成员访问操作符

9.2.1 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：

使用方式：结构体变量.结构体成员名（.结构体成员访问操作符）

9.2.2 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：

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

具体上课鹏哥没讲，后面再讲。

10. 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。

10.1 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。优先级指的是相邻两个操作符优先级不同的情况下，选择优先级高的去执行。

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 。

10.2 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（ = ）。相邻的操作符的优先级相同的情况下，结合性说了算。

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 。

当我们明确了优先级和结合性，那是否就能确定一个表达式的计算结果呢？

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

11. 表达式求值

11.1 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)的操作数的字节长度⼀般就是int的字节长度，同时也是CPU的通用寄存器的长度。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长度。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，表达式中各种长度可能小于int长度的整型值，都必须先转换为int或unsigned int，然后才能送入CPU去执行运算。

也就是说我们在表达式中看到的char类型的变量，在运算之前首先要把它们转化成整形也就是提升，然后再参与运算，这种事情是悄悄摸摸的发生的，这种提升我们感觉不到，是编译器和CPU去完成的，是在运算的过程中发生整形提升的。

// 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。这就是整形提升。

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 也就是说原来是有符号数，提升时在高位补的就是符号位， 2. 无符号整数提升，高位补0 int main() { char a = 20; char b = 130; char c = a + b; printf("%d\n", c); return 0; } a的原、反、补码是： 00000000000000000000000000001010 b的原、反、补码是： 00000000000000000000000010000010 要把a放到char类型里面，char类型的大小是一个字节，占八个比特位，而a里面放的是00001010，b里面放的是10000010，a和b不到一个整型的大小，要发生整形提升，那要怎么发生整形提升呢？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，a的符号位是0，所以前面要补0，把它补成32位（00000000000000000000000000001010）这就是一个整形了。b也是一样，b的符号位是1，前面要补1才行（11111111111111111111111110000010），整型提升完之后才进行相加，（11111111111111111111111110010110）加完之后是这个补码放到c中。c是八个比特位，存到c里面的就是（10010110），当是4个字节的整型值的时候，是32个比特位，但是非要把它放到char类型的时候，放不下，就要发生截断了。打印c的时候，对c进行整型提升，得到的是（11111111111111111111111110010110），也就是-106。