C++ 表达式

《C++ Primer 4th》读书摘要

C++ 提供了丰富的操作符，并定义操作数为内置类型时，这些操作符的含义。除此之外，C++ 还支持操作符重载，允许程序员自定义用于类类型时操作符的含义。标准库正是使用这种功能定义用于库类型的操作符。

操作符的含义——该操作符执行什么操作以及操作结果的类型——取决于操作数的类型。除非已知道操作数的类型，否则无法确定一个特定表达式的含义。

按优先级来对操作符进行分组——一元操作符优先级最高，其次是乘、除操作，接着是二元的加、减法操作。高优先级的操作符要比低优先级的结合得更紧密。这些算术操作符都是左结合，这就意味着当操作符的优先级相同时，这些操作符从左向右依次与操作数结合。

逻辑与和逻辑或操作符总是先计算其左操作数，然后再计算其右操作数。只有在仅靠左操作数的值无法确定该逻辑表达式的结果时，才会求解其右操作数。我们常常称这种求值策略为“短路求值（short-circuit evaluation）”。

由于 true 转换为 1，因此要检测某值是否与 bool 字面值true 相等，其等效判断条件通常很难正确编写：如果 val 不是 bool 值，val 和 true 的比较等效于：

if (val == 1) { /* ... */ }

这与下面的条件判断完全不同：

// condition succeeds if val is any nonzero value

if (val) { /* ... */ }

此时，只要 val 为任意非零值，条件判断都得 true。如果显式地书写条件比较，则只有当 val 等于指定的 1 值时，条件才成立。

位操作符使用整型的操作数。位操作符将其整型操作数视为二进制位的集合，为每一位提供检验和设置的功能。另外，这类操作符还可用于bitset 类型的操作数，该类型具有这里所描述的整型操作数的行为。

操作符	功能	用法
~	bitwise NOT（位求反）	~expr
<<	left shift（左移）	expr1 << expr2
>>	right shift（右移）	expr1 >> expr2
&	bitwise AND（位与）	expr1 & expr2
^	bitwise XOR（位异或）	expr1 ^ expr2
|	bitwise OR（位或）	expr1 | expr2

移位操作的右操作数不可以是负数，而且必须是严格小于左操作数位数的值。否则，操作的效果未定义。位异或（互斥或，exclusive or）操作符（^）也需要两个整型操作数。在每个位的位置，如果两个操作数对应的位只有一个（不是两个）为 1，则操作结果中该位为 1，否则为 0。

一般而言，标准库提供的 bitset 操作更直接、更容易阅读和书写、正确使用的可能性更高。而且，bitset 对象的大小不受 unsigned 数的位数限制。通常来说，bitset 优于整型数据的低级直接位操作。

输入输出标准库（IO library）分别重载了位操作符 >> 和 << 用于输入和输出。移位操作符具有中等优先级：其优先级比算术操作符低，但比关系操作符、赋值操作符和条件操作符优先级高。

与其他二元操作符不同，赋值操作具有右结合特性。当表达式含有多个赋值操作符时，从右向左结合。多个赋值操作中，各对象必须具有相同的数据类型，或者具有可转换为同一类型的数据类型。

复合赋值操作符的一般语法格式为：

a op= b;

其中，op= 可以是下列十个操作符之一：

+= -= *= /= %= // arithmetic operators

<<= >>= &= ^= |= // bitwise operators

这两种语法形式存在一个显著的差别：使用复合赋值操作时，左操作数只计算了一次；而使用相似的长表达式时，该操作数则计算了两次，第一次作为右操作数，而第二次则用做左操作数。除非考虑可能的性能价值，在很多（可能是大部分的）上下文环境里这个差别不是本质性的。

自增操作使其操作数加1，操作结果是修改后的值。它的后置形式同样对其操作数加 1（或减 1），但操作后产生操作数原来的、未修改的值作为表达式的结果：

int i = 0, j;

j = ++i; // j = 1, i = 1: prefix yields incremented value

j = i++; // j = 1, i = 2: postfix yields unincremented value

因为前置操作返回加1 后的值，所以返回对象本身，这是左值。而后置操作返回的则是右值。

建议：只有在必要时才使用后置操作符

有使用 C 语言背景的读者可能会觉得奇怪，为什么要在程序中使用前自增操作。道理很简单：因为前置操作需要做的工作更少，只需加 1 后返回加 1 后的结果即可。而后置操作符则必须先保存操作数原来的值，以便返回未加 1 之前的值作为操作的结果。对于 int 型对象和指针，编译器可优化掉这项额外工作。但是对于更多的复杂迭代器类型，这种额外工作可能会花费更大的代价。因此，养成使用前置操作这个好习惯，就不必操心性能差异的问题。

vector<int>::iterator iter = ivec.begin();

// prints 10 9 8 ... 1

while (iter != ivec.end())

cout << *iter++ << endl; // iterator postfix increment

由于后自增操作的优先级高于解引用操作，因此 *iter++ 等效于*(iter++)。子表达式 iter++ 使 iter 加 1，然后返回 iter 原值的副本作为该表达式的结果。因此，解引用操作 * 的操作数是 iter 未加 1 前的副本。

C++ 语言为包含点操作符和解引用操作符的表达式提供了一个同义词：箭头操作符（->）。点操作符用于获取类类型对象的成员

假设有一个指向类类型对象的指针（或迭代器），下面的表达式相互等价：

(*p).foo; // dereference p to get an object and fetch its member named foo

p->foo; // equivalent way to fetch the foo from the object to which p points

sizeof 操作符的作用是返回一个对象或类型名的长度，返回值的类型为size_t，长度的单位是字节。

结合性	操作符	功能	用法
L	::	global scope（全局作用域）	:: name
L	::	class scope（类作用域）	class :: name
L	::	namespace scope（名字空间作用域）	namespace :: name
L	.	member selectors（成员选择）	object . member
L	->	member selectors（成员选择）	pointer -> member
L	[]	subscript（下标）	variable [ expr ]
L	()	function call（函数调用）	name (expr_list)
L	()	type construction（类型构造）	type (expr_list)
R	++	postfix increment（后自增操作）	lvalue++
R	--	postfix decrement（后自减操作）	lvalue--
R	Typeid	type ID（类型 ID）	typeid (type)
R	typeid	run-time type ID（运行时类型 ID）	typeid (expr)
R	explicit cast（显式强制类型转换）	type conversion（类型转换）	cast_name<type>(expr)
R	sizeof	size of object（对象的大小）	sizeof expr
R	sizeof	size of type（类型的大小）	sizeof(type)
R	++	prefix increment（前自增操作）	++ lvalue
R	--	prefix decrement（前自减操作）	-- lvalue
R	~	bitwise NOT（位求反）	~expr
R	!	logical NOT（逻辑非）	!expr
R		unary minus（一元负号）	-expr
R	+	unary plus（一元正号）	+expr
R	*	dereference（解引用）	*expr
R	&	address-of（取地址）	&expr
R	()	type conversion（类型转换）	(type) expr
R	new	allocate object（创建对象）	new type
R	delete	deallocate object（释放对象）	delete expr
R	delete[]	deallocate array（释放数组）	delete[] expr
L	->*	ptr to member select（指向成员操作的指针）	ptr ->* ptr_to_member
L	.*	ptr to member select（指向成员操作的指针）	obj .*ptr_to_member
L	*	multiply（乘法）	expr * expr
L	/	divide（除法）	expr / expr
L	%	modulo (remainder)（求模（求余））	expr % expr
L	+	add（加法）	expr + expr
L		subtract（减法）	expr - expr
L	<<	bitwise shift left（位左移）	expr << expr
L	>>	bitwise shift right（位右移）	expr >> expr
L	<	less than（小于）	expr < expr
L	<=	less than or equal（小于或等于）	expr <= expr
L	>	greater than（大于）	expr > expr
L	>=	greater than or equal（大于或等于）	expr >= expr
L	==	equality（相等）	expr == expr
L	!=	inequality（不等）	expr != expr
L	&	bitwise AND（位与）	expr & expr
L	^	bitwise XOR（）	expr ^ expr
L	|	bitwise OR（位异或）	expr | expr
L	&&	logical AND（逻辑与）	expr && expr
L	||	logical OR（逻辑或）	expr || expr
R	?:	conditional（条件操作）	expr ? expr : expr
R	=	assignment（赋值操作）	lvalue = expr
R	*=, /=, %=, +=, -=, <<=, >>=, &=,|=, ^=	compound assign（复合赋值操作）	lvalue += expr, etc.
R	throw	throw exception（抛出异常）	throw expr
L	,	comma（逗号） expr ,	expr

以什么次序求解操作数通常没有多大关系。只有当操作符的两个操作数涉及到同一个对象，并改变其值时，操作数的

计算次序才会影响结果。如果一个子表达式修改了另一个子表达式的操作数，则操作数的求解次序就变得相当重要：

// oops! language does not define order of evaluation

if (ia[index++] < ia[index])

此表达式的行为没有明确定义。问题在于：< 操作符的左右操作数都使用了index 变量，但是，左操作数更改了该变量的值。假设 index 初值为 0，编译器可以用下面两种方式之一求该表达式的值：

if (ia[0] < ia[0]) // execution if rhs is evaluated first

if (ia[0] < ia[1]) // execution if lhs is evaluated first

一个表达式里，不要在两个或更多的子表达式中对同一对象做自增或自减操作。

下面两个指导原则有助于处理复合表达式：

1. 如果有怀疑，则在表达式上按程序逻辑要求使用圆括号强制操作数的组合。

2. 如果要修改操作数的值，则不要在同一个语句的其他地方使用该操作数。如果必须使用改变的值，则把该表达式分割成两个独立语句：在一个语句中改变该操作数的值，再在下一个语句使用它。

第二个规则有一个重要的例外：如果一个子表达式修改操作数的值，然后将该子表达式的结果用于另一个子表达式，这样则是安全的

而动态创建对象时，只需指定其数据类型，而不必为该对象命名。取而代之的是，new 表达式返回指向新创建对象的指针，我们通过该指针来访问此对象：

int i; // named, uninitialized int variable

int *pi = new int; // pi points to dynamically allocated,unnamed, uninitialized int

如果不提供显式初始化，动态创建的对象与在函数内定义的变量初始化方式相同。对于类类型的对象，用该类的默认构造函数初始化；而内置类型的对象则无初始化。

string *ps = new string; // initialized to empty string

int *pi = new int; // pi points to an uninitialized int

正如我们（几乎）总是要初始化定义为变量的对象一样，在动态创建对象时，（几乎）总是对它做初始化也是一个好办法。

int *pi = new int; // pi points to an uninitialized int

int *pi = new int(); // pi points to an int value-initialized to 0

动态创建的对象用完后，程序员必须显式地将该对象占用的内存返回给自由存储区。C++ 提供了 delete 表达式释放指针所指向的地址空间。

delete pi;

如果指针指向不是用 new 分配的内存地址，则在该指针上使用delete 是不合法的。

删除指针后，该指针变成悬垂指针。悬垂指针指向曾经存放对象的内存，但该对象已经不再存在了。悬垂指针往往导致程序错误，而且很难检测出来。

一旦删除了指针所指向的对象，立即将指针置为 0，这样就非常清楚地表明指针不再指向任何对象。

C++ 允许动态创建 const 对象：

// allocate and initialize a const object

const int *pci = new const int(1024);

与其他常量一样，动态创建的 const 对象必须在创建时初始化，并且一经初始化，其值就不能再修改

警告：动态内存的管理容易出错

下面三种常见的程序错误都与动态内存分配相关：

1. 删除（ delete ）指向动态分配内存的指针失败，因而无法将该块内存返还给自由存储区。删除动态分配内存失败称为“内存泄漏（memory leak）”。内存泄漏很难发现，一般需等应用程序运行了一段时间后，耗尽了所有内存空间时，内存泄漏才会显露出来。

2. 读写已删除的对象。如果删除指针所指向的对象之后，将指针置为 0 值，则比较容易检测出这类错误。

3. 对同一个内存空间使用两次 delete 表达式。当两个指针指向同一个动态创建的对象，删除时就会发生错误。如果在其中一个指针上做 delete 运算，将该对象的内存空间返还给自由存储区，然后接着 delete 第二个指针，此时则自由存储区可能会被破坏。

尽管程序员不能改变 const 对象的值，但可撤销对象本身。如同其他动态对象一样， const 动态对象也是使用删除指针来释放的：

delete pci; // ok: deletes a const object

如果两个类型之间可以相互转换，则称这两个类型相关。

包含 short 和 int 类型的表达式， short 类型的值转换为 int 。如果int 型足够表示所有 unsigned short 型的值，则将 unsigned short 转换为int，否则，将两个操作数均转换为 unsigned int 。

指向任意数据类型的指针都可转换为void* 类型；整型数值常量 0 可转换为任意指针类型。

算术值和指针值都可以转换为 bool 类型。如果指针或算术值为 0，则其bool 值为 false ，而其他值则为 true

当使用非 const 对象初始化 const 对象的引用时，系统将非 const 对象转换为 const 对象。此外，还可以将非 const 对象的地址（或非 const 指针）转换为指向相关 const 类型的指针：

int i;

int ci = 0;

const int &j = i; // ok: convert non-const to reference to const int

const int *p = &ci; // ok: convert address of non-const to address of a const

显式转换也称为强制类型转换（cast），包括以下列名字命名的强制类型转换操作符：static_cast、dynamic_cast、const_cast 和 reinterpret_cast。

虽然有时候确实需要强制类型转换，但是它们本质上是非常危险的。显式使用强制类型转换的另一个原因是：可能存在多种转换时，需要选择一种特定的类型转换。

命名的强制类型转换符号的一般形式如下：

cast-name<type>(expression);

其中 cast-name 为 static_cast、dynamic_cast、const_cast 和reinterpret_cast 之一，type 为转换的目标类型，而 expression 则是被强制转换的值。强制转换的类型指定了在 expression 上执行某种特定类型的转换。

const_cast ，顾名思义，将转换掉表达式的 const 性质.只有使用 const_cast 才能将 const 性质转换掉。在这种情况下，试图使用其他三种形式的强制转换都会导致编译时的错误。类似地，除了添加或删除const 特性，用 const_cast 符来执行其他任何类型转换，都会引起编译错误。

const char *pc_str;

char *pc = string_copy(const_cast<char*>(pc_str));

编译器隐式执行的任何类型转换都可以由 static_cast 显式完成：

double d = 97.0;

// cast specified to indicate that the conversion is intentional

char ch = static_cast<char>(d);

如果编译器不提供自动转换，使用 static_cast 来执行类型转换也是很有用的。例如，下面的程序使用 static_cast 找回存放在 void* 指针中的值：

void* p = &d; // ok: address of any data object can be stored in avoid*

// ok: converts void* back to the original pointer type

double *dp = static_cast<double*>(p);

可通过 static_cast 将存放在 void* 中的指针值强制转换为原来的指针类型，此时我们应确保保持指针值。

建议：避免使用强制类型转换

强制类型转换关闭或挂起了正常的类型检查（第 2.3 节）。强烈建议程序员避免使用强制类型转换，不依赖强制类型转换也能写出很好的 C++程序。

这个建议在如何看待 reinterpret_cast 的使用时非常重要。此类强制转换总是非常危险的。相似地，使用 const_cast 也总是预示着设计缺陷。设计合理的系统应不需要使用强制转换抛弃 const 特性。其他的强制转换，如 static_cast 和 dynamic_cast，各有各的用途，但都不应频繁使用。每次使用强制转换前，程序员应该仔细考虑是否还有其他不

同的方法可以达到同一目的。如果非强制转换不可，则应限制强制转换值的作用域，并且记录所有假定涉及的类型，这样能减少错误发生的机会。

旧式强制类型转换

在引入命名的强制类型转换操作符之前，显式强制转换用圆括号将类型括起来实现：

char *pc = (char*) ip;

虽然标准 C++ 仍然支持旧式强制转换符号，但是我们建议，只有在 C 语言或标准 C++ 之前的编译器上编写代码时，才使用这种语法。

旧式强制转换符号有下列两种形式：

type (expr); // Function-style cast notation

(type) expr; // C-language-style cast notation