运算符和表达式是C语言编程的基础构建块，它们共同构成了C语言程序的核心逻辑和计算。理解和掌握运算符和表达式的相关知识，对于编写高效、易读的C语言代码至关重要。
一、运算符概述
运算符是C语言中用于执行各种操作的符号，它们可以对变量、常量、表达式等进行操作。运算符是C语言中不可或缺的一部分，它们赋予了程序执行各种计算、比较、逻辑判断、位操作等功能。
1. 运算符的分类
C语言中的运算符可以根据其功能和操作对象进行分类，主要包括以下几类：
- 算术运算符：用于执行基本的数学运算，如加法、减法、乘法、除法、取余等。
- 关系运算符：用于比较两个操作数，返回布尔值（0或1），表示比较结果是否成立。
- 逻辑运算符：用于执行逻辑操作，常用于条件判断和控制流程。
- 位运算符：用于对整数的二进制位进行操作，常用于高效的位操作和数据处理。
- 赋值运算符：用于给变量赋值或更新变量的值。
- 其他运算符：包括指针运算符、结构体成员运算符、条件运算符、逗号运算符等。
2. 运算符的优先级和结合性
运算符的优先级和结合性决定了表达式中运算的顺序。优先级高的运算符优先执行，而结合性决定了相同优先级的运算符的执行顺序。
- 优先级：优先级高的运算符优先执行。例如，乘除法优先级高于加减法，所以表达式
a + b * c会先执行b * c，然后再执行a + (b * c)。 - 结合性：结合性是指当多个相同优先级的运算符出现在表达式中时，它们的执行顺序。
- 左结合：从左到右执行。例如，表达式
a - b + c会先执行a - b，然后再执行(a - b) + c。 - 右结合：从右到左执行。例如，表达式
a = b = c会先执行b = c，然后再执行a = (b = c)。
- 左结合：从左到右执行。例如，表达式
二、基本运算符详解
1. 算术运算符
算术运算符用于执行基本的数学运算，如加法、减法、乘法、除法等。
| 运算符 | 操作 | 示例 | 结果 |
|---|---|---|---|
| + | 加法 | 5 + 3 | 8 |
| - | 减法 | 5 - 3 | 2 |
| * | 乘法 | 5 * 3 | 15 |
| / | 除法 | 5 / 3 | 1 |
| % | 取余 | 5 % 3 | 2 |
示例代码：
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 5, b = 3;
printf("a + b = %d\n", a + b); // 加法
printf("a - b = %d\n", a - b); // 减法
printf("a * b = %d\n", a * b); // 乘法
printf("a / b = %d\n", a / b); // 除法
printf("a %% b = %d\n", a % b); // 取余
return 0;
}
2. 关系运算符
关系运算符用于比较两个操作数，返回布尔值（0或1），表示比较结果是否成立。
| 运算符 | 操作 | 示例 | 结果 |
|---|---|---|---|
| == | 等于 | 5 == 3 | 0 |
| != | 不等于 | 5 != 3 | 1 |
| > | 大于 | 5 > 3 | 1 |
| < | 小于 | 5 < 3 | 0 |
| >= | 大于等于 | 5 >= 3 | 1 |
| <= | 小于等于 | 5 <= 3 | 0 |
示例代码：
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 5, b = 3;
printf("a == b: %d\n", a == b); // 等于
printf("a != b: %d\n", a != b); // 不等于
printf("a > b: %d\n", a > b); // 大于
printf("a < b: %d\n", a < b); // 小于
printf("a >= b: %d\n", a >= b); // 大于等于
printf("a <= b: %d\n", a <= b); // 小于等于
return 0;
}
3. 逻辑运算符
逻辑运算符用于执行逻辑操作，常用于条件判断和控制流程。
| 运算符 | 操作 | 示例 | 结果 |
|---|---|---|---|
| && | 逻辑与 | 1 && 0 | 0 |
| 逻辑或 | |||
| ! | 逻辑非 | !1 | 0 |
示例代码：
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 1, b = 0;
printf("a && b: %d\n", a && b); // 逻辑与
printf("a || b: %d\n", a || b); // 逻辑或
printf("!a: %d\n", !a); // 逻辑非
return 0;
}
4. 位运算符
位运算符用于对整数的二进制位进行操作，常用于高效的位操作和数据处理。
| 运算符 | 操作 | 示例 | 结果 |
|---|---|---|---|
| & | 按位与 | 5 & 3 | 1 |
| 按位或 | 5 | ||
| ^ | 按位异或 | 5 ^ 3 | 6 |
| ~ | 按位取反 | ~5 | -6 |
| << | 左移 | 5 << 1 | 10 |
| >> | 右移 | 5 >> 1 | 2 |
示例代码：
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 5, b = 3;
printf("a & b: %d\n", a & b); // 按位与
printf("a | b: %d\n", a | b); // 按位或
printf("a ^ b: %d\n", a ^ b); // 按位异或
printf("~a: %d\n", ~a); // 按位取反
printf("a << 1: %d\n", a << 1); // 左移
printf("a >> 1: %d\n", a >> 1); // 右移
return 0;
}
5. 赋值运算符
赋值运算符用于给变量赋值或更新变量的值。
| 运算符 | 操作 | 示例 | 结果 |
|---|---|---|---|
| = | 简单赋值 | b = a | b的值为a的值 |
| += | 加且赋值 | b += a | b的值为b+a的值 |
| -= | 减且赋值 | b -= a | b的值为b-a的值 |
| *= | 乘且赋值 | b *= a | b的值为b*a的值 |
| /= | 除且赋值 | b /= a | b的值为b/a的值 |
| %= | 取余且赋值 | b %= a | b的值为b%a的值 |
示例代码：
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 5, b;
b = a; // 简单赋值
printf("b = a: %d\n", b);
b += a; // 加且赋值
printf("b += a: %d\n", b);
b -= a; // 减且赋值
printf("b -= a: %d\n", b);
b *= a; // 乘且赋值
printf("b *= a: %d\n", b);
b /= a; // 除且赋值
printf("b /= a: %d\n", b);
b %= a; // 取余且赋值
printf("b %%= a: %d\n", b);
return 0;
}
三、表达式的优先级与结合性
运算符的优先级和结合性决定了表达式中运算的顺序。优先级高的运算符优先执行，而结合性决定了相同优先级的运算符的执行顺序。
1. 运算符优先级表
| 优先级 | 运算符 | 结合性 |
|---|---|---|
| 1 | () [] -> . | 左结合 |
| 2 | ! ~ ++ -- + - * & (类型) sizeof | 右结合 |
| 3 | * / % | 左结合 |
| 4 | + - | 左结合 |
| 5 | << >> | 左结合 |
| 6 | < <= > >= | 左结合 |
| 7 | == != | 左结合 |
| 8 | & | 左结合 |
| 9 | ^ | 左结合 |
| 10 | ` | ` |
| 11 | && | 左结合 |
| 12 | ` | |
| 13 | ?: | 右结合 |
| 14 | = += -= *= /= %= &= ^= ` | =<<=>>=` |
| 15 | , | 左结合 |
2. 结合性
结合性是指当多个相同优先级的运算符出现在表达式中时，它们的执行顺序。
- 左结合：从左到右执行。
- 右结合：从右到左执行。
四、复杂表达式的构建与简化
由于运算符的优先级和结合性，某些复杂表达式可能并不直观。为了提高代码的可读性和可维护性，建议使用括号来明确表达式的计算顺序。
示例代码：
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 10, b = 5, c;
float result;
// 算术运算
c = a + b * 2; // 结果为 20，因为乘法优先级高于加法
printf("a + b * 2 = %d\n", c);
// 使用括号明确顺序
c = (a + b) * 2; // 结果为 30，因为括号优先
printf("(a + b) * 2 = %d\n", c);
// 关系运算和逻辑运算
if (a > b && b != 0) {
result = (float)a / b; // 强制类型转换
printf("a / b = %.2f\n", result);
}
// 位运算
c = a & b; // 结果为 0，因为 10 & 5 = 0
printf("a & b = %d\n", c);
return 0;
}
五、表达式的优化技巧
在编写C语言代码时，优化表达式可以提高代码的执行效率和可读性。以下是几种常见的优化技巧：
- 减少冗余计算：将重复计算的部分提取出来。
// 优化前
result = a * b + a * c + a * d;
// 优化后
temp = a;
result = temp * b + temp * c + temp * d;
- 使用位运算代替算术运算：位运算通常比算术运算更高效。
// 优化前
result = a * 4;
// 优化后
result = a << 2; // 左移2位，相当于乘4
- 使用条件运算符代替简单的if-else结构：
// 优化前
if (a > b) {
result = a;
} else {
result = b;
}
// 优化后
result = (a > b) ? a : b;
六、总结
运算符和表达式是C语言编程的基石，通过理解和掌握各种运算符及其优先级和结合性，我们可以编写出更高效、更易读的代码。运算符的适当使用和表达式的优化，对于实现复杂逻辑和提高程序性能至关重要。
