第五章C语言操作符详解：从“加减乘除”到“位运算修仙”

一、操作符分类：古神肢解的密码

算术操作符是伪装的蠕虫，关系操作符是编织的蛛网，逻辑操作符是克苏鲁的触手！而位操作符——那是直接撕开二进制子宫的产钳！

• 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： . 、->

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.

二、原码反码补码：幽灵的三种容器

原码是天使的镜像，反码是恶魔的倒影，补码——是囚禁负数的量子棺材！
最高位的1不是符号，是通往负数地狱的传送门！

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。（共三十二位）
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。

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。

三、移位操作符：时间沙漏的暴政

<< 左移是加速时间洪流，>> 右移是逆转熵增！但小心——空出的位会滋生虚空蠕虫！
无符号数右移是圣光灌注，有符号数右移是位污染的瘟疫！

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;
}

左移一位有$\times$ 2的效果

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

右移采用算数右移还是逻辑右移是取决于编译器，通常采用的都是算数右移

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

右移一位有$÷$ 2的效果

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

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

四、位操作符：量子纠缠的魔法阵

& 是按位与的封印结界，| 是按位或的混沌融合，^ 是按位异或的灵魂交换！

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。

a & b    //a和b的补码的二进制位进行运算 

• & 按位与 ：对应的二进制位，有0则为0，两个同时为1，才为1
• | 按位或： 只要有1就是1，两个同时为0，才为0
• ^ 按位异或：对应的二进制位，相同为0，相异为1
• ~ 按位取反：按二进制位取反（符号位不变）

进行位操作符时的流程：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int num1 = -3;
 int num2 = 5;
 printf("%d\n", num1 & num2);
 return 0;
}
//	 1、先换成对应二进制原码：
num1: 10000000 00000000 00000000 00000011
num2: 00000000 00000000 00000000 00000101
//   2、 再换成对应二进制的补码：
num1: 11111111 11111111 11111111 11111101
num2: 00000000 00000000 00000000 00000101（正数的原码补码相同）
//	 3、然后按操作符特性进行运算，这里是按位与
	  00000000 00000000 00000000 00000101 	(计算出来的也是对应的补码)
//	 4、最后换成原码转换成十进制即可得出答案：（正数的反码补码相同，所以不变）
	  00000000 00000000 00000000 00000101（5）

接下来看看这种操作符巧妙的用法：

不能创建临时变量（第三个变量），实现两个整数的交换。

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 int b = 20;
 a = a+b;		//a = 10 + 20 = 30
 b = a-b;		//b = 30 - 20 = 10
 a = a-b;		//a = 30 - 10 = 20
 printf("a = %d b = %d\n", a, b);
 return 0;
}
这种算法当数值比较大相加容易超过整型的最大值，只能解决部分数据的问题

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 int b = 20;
 a = a^b;			
 b = a^b;		//b = (a ^ b) ^ b  = a  
 a = a^b;		//a = (a ^ b) ^(a ^ b) ^ b = b
  			//两两相同抵消为0，0 异或任何数结果为该数
 printf("a = %d b = %d\n", a, b);
 return 0;
}

操作符的特点：

• a ^ a = 0
• 0 ^ a = a
• 异或是支持交换律的

例：
3 ^ 3 ^ 5 = 5
3 ^ 5 ^ 3 = 5

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++)
 {
 if( (num >> i) & 1 )			//判断二进制每一位有1的个数
 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)
 {
 count++;
 num = num&(num-1);			//
 }
 printf("⼆进制中1的个数 = %d\n",count);
 return 0;
}

• &1就可以得到一个数的二进制最低位

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

#include <stdio.h>
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;
}

五、单目操作符：深渊的独眼凝视

! 是逻辑否定的黑洞生成器，~ 是按位取反的记忆清洗剂，++ 是自增诅咒的毒苹果！前缀++是闪电战，后缀++是时间琥珀陷阱！

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

六、逗号表达式：噬魂蜈蚣的舞蹈

逗号不是分隔符，是吞噬表达式的百足之虫！最后的值是它排泄的灵魂残渣！

语法形式：

exp1, exp2, exp3, …expN

• 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。

int a = 1;
int b = 2;
int c = (a>b, a=b+10, a, b=a+1);//逗号表达式 

a > b 为假 为0；
a = b + 10 ;//a = 12
b = a +1 = 13;
整个表达式值为最后一个表达式的返回值
所以c = 13

七、下标访问[ ]与函数调用()：禁忌的召唤仪式

arr[5]不是访问元素，是用偏移量撬开内存牢笼！func()不是调用函数，是向代码深渊投掷血祭！

[ ]下标引⽤操作符

• 操作数：⼀个数组名 + ⼀个索引值(下标)

nt 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。

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

八、结构成员访问操作符

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。
这时c语言就给出了一个“自由的”方式解决这个问题：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。

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 

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 

结构成员访问操作符

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

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

九、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。

优先级：诸神的圣战

++的优先级高于*？这是单目操作符的叛乱！括号()不是语法，是镇压运算符暴动的禁军！

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。

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（ = ）。

十、表达式求值：血祭编译器的末日审判

整型提升

C语⾔中整型算术运算总是⾄少以（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。

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？

• 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
• 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 

算术转换

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

后者转变法则：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。