【c++ Prime 学习笔记】第4章 表达式

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• 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。

• 字面值和变量是最简单的表达式

• 把运算符和运算对象组合可得到复杂表达式。

4.1 基础

4.1.1 基本概念

• 一元运算符作用于一个对象，如取地址符&、解引用符*

• 二元运算符作用于两个对象，如==、*

• 三元运算符?:。

• 函数调用也是特殊的运算符，它运算对象数量没有限制。

组合运算符和运算对象

理解含有多个运算符的复杂表达式，要先理解运算符的优先级、结合律，以及运算对象的求值顺序。

运算对象转化

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

运算符作用于类类型的运算对象时，用户可以自行定义其含义。

左值右值

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）。

• 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

4.1.2 优先级和结合律

• 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

4.1.3 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

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4.2 算术运算符

• 一元运算符优先级最高，其次乘除和求余，最后加减。

• 上述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

• 整数相除还是整数

• 参与取余%的运算对象必须都是整型，不可用浮点做转换

• (-m)/n和m/(-n)都等于-(m/n)，m%(-n)等于m%n，(-m)%n等于-(m%n)

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*/

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4.3 逻辑和关系运算符

• 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

• 逻辑非运算符将运算对象的值取反后返回

• 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

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4.4 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。

• 赋值运算符优先级较低

• 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。

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4.5 递增和递减运算符

• ++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

• 混用解引用和递增可实现简洁性

  cout<<*iter++;等价于cout<<*(iter++); 或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)

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4.6 成员访问运算符

• 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。

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4.7 条件运算符

• cond?expr1:expr2

• 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。

• 允许在条件运算符的内部嵌套另外一个条件运算符

• 条件运算符优先级非常低，因此在长表达式之中使用时，需要在两端加上括号

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4.8 位运算符

• 移位运算符满足左结合律

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

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4.9 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里解引用无效指针没有影响，是一种安全的行为。

  • 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)，sizeof返回的是常量表达式，可用于声明新数组。

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4.10 逗号运算符

• 含有两个运算对象，遵循从左往右的求值顺序
• 实质上是将多个顺序执行的表达式写为一行的手段。

for (vector<int>::size_type ix = 0; ix != ivec.size(); ix++, cnt--)
    ivec[ix] = cnt;

someValue ? ++x, ++y : --x, --y;

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4.11 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

4.11.1 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

  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
  

  4.11.2 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 *

  • 转成bool类型

  • 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种类类型转换。

4.11.3 显示转换

• 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。

命名的强制类型转换

cast-name<type>(expression)

• expression 是要转换的值

• type是转换的目标类型，若type是引用类型，则返回左值。

• cast-name是一下一种

  • 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

  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
  

  • dynamic_cast

  • const_cast

    • 只能改变运算的底层const
    • 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能改变表达式的常量属性，但不能用const_cast改变表达式类型

    const char *pc;
    char *p = const_cast<char*>(pc); //正确，但是通过p写值是未定义的行为
    
    const char *cp;
    char *q = static_const<char*>(cp); //错误，static_cast 不能转换掉const性质
    static_cast<string>(cp);           //正确，字符串字面值转成string类型
    const_cast<string>(cp)             //错误，const只改变常量属性
    

  • reinterpret_cast中的一种。

    • 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)

(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。

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4.12 运算符优先级表