一文搞懂C++常见运算符优先级

sarexpine

10077人浏览 · 2023-04-07 18:37:20

sarexpine · 2023-04-07 18:37:20 发布

一文搞懂C++常见运算符优先级

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一文搞懂C++常见运算符优先级

对于初学 C++ 的同学来说，第一个让人混乱的便是 C++ 中复杂的算术表达式。下面是一个简单的例子：

例题1：

int a = 1;
int b = 2;
int c = 3;
int d = 4;
int e = 5;

int result = a + b * c / d - e; //result = -3

例题2：

int a = 5;
int b = 2;
int c = ++a + b++ * 2; //c = 10
int d = a++ + (++b) * 2; //d = 14

看完结果之后你可能不相信我写的答案，没关系！实践出真知，下面为运行结果

看看你的猜测是否正确？如果你能正确并完整地说出代码的运算顺序和结果，那么恭喜你，至少掌握了基本的运算规律😎

结论

嘿，看到这里了，你可能会好奇，我们应该如何理解表达式的运算顺序呢🤔？
先说结论，在我们常见的算术表达式运算中：

后置递增/减优先运算，其次是前置递增/减，最后是四则运算（加减乘除）。其中，四则运算的顺序与我们小学数学的顺序一样，遵循先乘除后加减

其次，若表达式中有括号的，先计算括号内的表达式

前置&后置递增和递减

觉得很难理解？没关系，下面我们使用代码来验证和加深理解

//首先我们先看递增/递减，这里我们统一以递增为例
//1.前置递增
int a = 10;
++a;  //让变量＋1
cout << "a = "<< a << endl;  //11
   
//2.后置递增
int b = 10;
b++;  //让变量＋1
cout << "b = " << b << endl;  //11

看到这里，你不经会问，这不都是一样的吗？有什么区别？你的问题非常好，思考的很全面。单独使用的时候确实没什么区别，但是放在表达式中可就不一样了

//你能说出b和c的值吗？
//假如把 a = 5 这行代码去掉，那么b和c的值会变化吗？
int a = 5;
int b = ++a + 2;
a = 5;
int c = a++ + 2;

我们先不看答案，先来看递增的规律：

前置递增：先让变量＋1 然后进行表达式的运算
后置递增：先进行表达式运算，后让变量＋1

那么读到这里，你是不是以及开始尝试求解了？我们一起来看看思路和运算顺序

int a = 5;

//首先看这个式子，因为++符号在变量名前面，所以是前置递增
int b = ++a + 2;
//根据前置递增的运算规则，先让变量＋1 然后进行表达式的运算。给出如下运行步骤
1. a先自增1，那么现在a = 6
2. 自增后的a = 6再与2相加
3. 故 b = 8

看到这里，你会觉得 前置递增++a 与 a = a + 1 的逻辑很相似。确实，你可以这么理解，但是这种理解仅限于前置递增/减！至于为什么，我们再来看下面的解析

int a = 5;
int b = ++a + 2;

//把a的值重新置为5
a = 5;
//因为++符号在变量名前面，所以是后置递增
int c = a++ + 2;
//根据后置递增的运算规则，先进行表达式运算，后让变量＋1。给出如下运行步骤
1. 因为是先进行表达式运算，那么先执行 a + 2
2. 那么此时 c = a + 2，故 c = 7
3. 最后a自增1，那么现在a = 6

假如你这时候还认为既然 ++a相当于a = a+1，那么 a++ 也相当于 a = a+1 的思路来看待这个问题就大错特错了🦆，为什么？我们接下来再看看

//你在编译器里打出这几行行代码对比一下
int a = 5;
cout << a++ << endl;	//a = 5
a = 5;
cout << (a = a + 1) << endl;	//a = 6

你可以看到，结果是不是完全和我们想象的不一样？a++ 居然输出的结果是5不是6？而 a = a+1 却输出的是6，这段代码就充分说明了为什么 a++ 相当于 a = a+1 这个思路的不正确性

这时细心的同学可能会发现，为什么每次我做完操作之后，多一行 a = 5 ？

这是个非常棒的问题，说明你注意到了这行代码的特殊性。还是如此，我们解释原理步骤，再运行代码

假设我把 a = 5 这行代码注释了，我们再来看b和c的值

int a = 5;
//前置递增，变量先加一，再做表达式运算
int b = ++a + 2;	//a先加1变成6，然后再参与加2的运算，b = 8
//a = 5;
//后置递增，先进行表达式运算，后让变量＋1
int c = a++ + 2;	//此时a的值为6，先参与运算加2，把结果赋值给c，c = 8
					//然后a再加1变成7

对比一下，你可以发现，c的值在变化。原因是不管前置还是后置递增或递减，最后都要把原本的值覆盖

也就是说不论是 a++还是++a，a的值最后都要被覆盖，只是改变的时机不一样罢了，这也就导致了c的值在变化的原因

看到这里，我想你应该明白了前置&后置递增与递减的特殊性

前置&后置递增和递减出现在同一表达式的优先级

接下来我们讨论当表达式中出现同优先级的情况，以下是代码示例：

int a = 5;
int b = 2;
int c = a++ + b++; //c = 7
a = 5;
b = 2;
int d = a++ + b++ + --a; //d = 10

这是运行的结果

有了前面的知识铺垫之后，我们再看这个表达式是不是就更轻松了一点？

当然，你的答案可能会与结果不同，没关系，我们还是一起来看看他的运算顺序到底是怎么样的

首先我需要了解C++运算符的结合性，什么是结合性？

结合性是指当一个表达式中有多个相同优先级的运算符时，它们的计算顺序是从左到右还是从右到左，左结合是指从左到右计算，右结合是指从右到左计算

例如，赋值运算符= 是右结合的，所以a = b = c相当于a = (b = c)，也就是说，先把c的值赋给b，然后再把b的值赋给a
例如，加法运算符+ 是左结合的，所以a + b + c相当于(a + b) + c，也就是说，先把a和b相加，然后再和c相加

通过上述这两个例子，我们再次回看最简单的代码：

int a = 5;
int b = ++a + 2;
a = 5;
int c = a++ + 2;

根据结合性理论，我们可以看出：

前置递增/递减属于右结合
后置递增/递减属于左结合

其实我个人认为，上述的叫法会让初学者误认为，左/右结合是向左/右结合

其实真正应该叫从左(向右)结合 / 从右(向左)结合更为恰当

也就是说，我们应该把左结合与右结合称作从左结合与从右结合，这样避免了歧义，而且先前的叫法本身也不够严谨

int b = ++a + 2
      = (a = a + 1) + 2
      = (a = 5 + 1) + 2
      = 6 + 2
      = 8
a的值变化：5->6->参与表达式计算
---------int a = 5------------
int c = a++ + 2
      = a + 2
      = 5 + 2
      = 7
a的值变化：5->参与表达式计算->6

有了上述的理论基础之后我们再回头看这个代码：

int a = 5;
int b = 2;
int c = a++ + b++; //c = 7
/*
	1. 先算后置递增，c = a + b = 7
	2. 再算自增：a + 1, b + 1
*/
a = 5;
b = 2;
int d = a++ + b++ + --a; //d = 12
/*
	1. 先算后置递增，a = 5 + 1 = 6
	2. 再算前置递减：a = 6 - 1 = 5
	3. 再开始计算表达式：d = a + b + a = 5 + 2 + 5 = 12
*/

答案和过程是不是显而易见？但是！其实在C++中并不推荐在表达式中多次修改同一个变量的值。这样容易导致表达式的行为不确定

比如，这段代码我在 Microsoft Visual Studio 2022 Community 上运行的结果为 d=10，但在线编译网站和 Dev Cpp 上运行的结果为 d=12

我也很不解，所以我发送了反馈提交给了VS的社区 Inconsistent results of C++ post-increment operator in different compilers，发现了相似的问题，微软官方给出的回复是：感谢您的反馈。但这是故意的。这是未定义的行为。根据标准，表达式中的操作序列是不确定的，模仿GCC/Clang的未定义行为解决方案不是MSVC的目标

根据 C++ 标准，表达式的计算顺序是未定义的（Undefined Behavior），也就是说，编译器可以自由地决定表达式中各个操作数的计算顺序。这就意味着，在不同的编译器或编译器设置下，对于同一个表达式，得到的结果可能是不同的，甚至是不可预测的

因此，我们应该：

不要在表达式中多次修改同一个变量的值。这样容易导致表达式的行为不确定
避免嵌套修改同一个变量的值的操作。例如，a = b = c = 0 这样的操作会使 a、b、c 依次被赋值为 0，但赋值的顺序是未定义的
在表达式中显式指定计算顺序。可以使用括号或者将表达式分解为多个语句来指定计算顺序

知乎中的一篇文章也指出了这个问题：关于C,C++表达式求值顺序

四则运算

在 C++ 中，四则运算的优先级遵循常见的数学规则，乘法和除法的优先级高于加法和减法。在进行四则运算时，可以使用括号来显式指定计算的优先级

以下是 C++ 中四则运算的优先级列表，从高到低：
在这里插入图片描述

回到开头的例子，我们按照这个表格的优先级计算结果

int a = 1;
int b = 2;
int c = 3;
int d = 4;
int e = 5;

int result = a + b * c / d - e;
1. 先计算 b*c = 2*3 = 6
2. 后计算 a + 6 / d - e
3. 再计算 a + 1 - e
4. 结果为：result = 1 + 1 - 5 = -3

由于四则运算 (加减乘除) 的结合性都是从左向右的，因此，当出现同一优先级但是顺序不同时，一般都按照从左到右的顺序顺序进行运算，例如：

int a = 10;
int b = 5;
int result = a / b * 3;
5. 先计算 a/b = 10/5 = 2
6. 后计算 2 * 3
7. 结果为：result = 2*3 = 6

至此，我们常见的运算符优先级就讲到这里了，相信你看完一定有所收获😘，如果有什么问题可以私信或者评论区留言，我看到之后都会回复的

希望这篇文章能让你对C++中运算符优先级有更进一步的认识🤗

例题检测 (理解后可以直接到这里做题)

下面是几个关于前置&后置递增与递减的C++例题，希望能更进一步帮助你加深对概念的理解，答案在文章的末尾

题目一：
int a = 3;
int b = ++a + 2;
int c = a++ + 2;

题目二：
int a = 6;
int b = a++ * 3;
a = 6;
int c = --a * 3;

题目3：
int a = 6;
int b = ++a - 2;
int c = a++ / 8;
int d = --a * 3;
int e = a++ + 2;

题目4：
int a = 5;
int b = 6;
int c = (a++) * (++b) + 2;
int d = (++a) * (b--) + 2;


题目5：
int a = 8;
int b = 9;
int c = ++a - (b--) / 2;
int d = a-- - (++b / 2);

题目6
int a = 7;
int b = 8;
int c = (a--) * (b++) + 2;
int d = (--a) * (--b) + 2;