说说C语言运算符的“优先级”与“结合性”

论坛和博客上常常看到关于C语言中运算符的迷惑，甚至是错误的解读。这样的迷惑或解读大都发生在表达式中存在着较为复杂的副作用时。但从本质上看，仍然是概念理解上的偏差。本文试图通过对三个典型表达式的分析，集中说说运算符的优先级、结合性方面的问题，同时说明它们跟求值过程之间存在的区别与联系。



优先级决定表达式中各种不同的运算符起作用的优先次序，而结合性则在相邻的运算符的具有同等优先级时，决定表达式的结合方向。



（一）a = b = c;

关于优先级与结合性的经典示例之一就是上面这个“连续赋值”表达式。

b的两边都是赋值运算，优先级自然相同。而赋值表达式具有“向右结合”的特性，这就决定了这个表达式的语义结构是“a = (b = c)”，而非“(a = b) = c”。即首先完成c向b的赋值（类型不同时可能发生提升、截断或强制转换之类的事情），然后将表达式“b = c”的值再赋向a。我们知道，赋值表达式的值就是赋值完成之后左侧操作数拥有的值，在最简单的情况下，即a、b、c的类型完全相同时，它跟“b = c; a = b;”这样分开来写效果完全相同。

一般来讲，对于二元运算符▽来说，如果它是“向左结合”的，那么“x ▽ y ▽ z”将被解读为“(x ▽ y) ▽ z”，反之则被解读为“x ▽ (y ▽ z)”。注意，相邻的两个运算符可以不同，但只要有同等优先级，上面的结论就适用。再比如“a * b / c”将被解读为“(a * b) / c”，而不是“a * (b / c)”——要知道这可能导致完全不同的结果。

而一元运算符的结合性问题一般会简单一些，比如“*++p”只可能被解读为“*(++p)”。三元运算符后面会提到。



（二）*p++;

像下面这样实现strcpy函数的示例代码随处都能见到：

size_t strlen(const char* str){
    const char* p = str;
    while(*p++);
    return p - str - 1;
}

注意上面函数中最后的减1。虽然是否退出while循环是由p的当前值解引用决定的，但即使while要退出，在“正式”退出之前，后自增（“++”）加1的副作用还是要体现。也可以这么理解：所谓“退出循环”，是指“不再执行循环体”，但控制表达式并非循环体的一部分，它的所有副作用在整个表达式结束之前都会生效。所以，我们最后要减掉循环退出时多走的这一步。

还想重复一遍：*p++就是*(p++)，它们除了可读性之外没有任何区别，所以那种认为加上括号就可以实现先加1再解引用的想法是错误的。要达到那样的效果，可以用“*++p”。



（三）x > y ? 100 : ++y > 2 ? 20 : 30

这个表达式看起来有点吓人。让我们先给出更多的上下文吧：

int x = 3;
int y = 2;
int z = x > y ? 100 : ++y > 2 ? 20 : 30;

此时，z的值该是多少呢？

这里面是两个条件运算符（?:，也叫“三目运算符”）嵌套，许多人会去查条件运算符的特性，得知它是“向右结合”的，于是认为右侧的内层条件运算“++y > 2 ? 20 : 30”先求值，这样y首先被加1，大于2的条件成立，从而使第二个条件运算取得结果“20”；然后再来求值整个条件表达式。这时，由于y已经变成3，“x > y”不再成立。整个结果自然就是刚刚求得的20了。

这种思路是错误的。

错误的原因在于：它把优先级、结合性跟求值次序完全混为一谈了。

首先，在多数情况下，C语言对表达式中各子表达式的求值次序并没有严格规定；其次，即使是求值次序确定的场合，也是要先确定了表达式的语义结构，在获得确定的语义之后才谈得上“求值次序”。

对于上面的例子，条件运算符“向右结合”这一特性，并没有决定内层的条件表达式先被求值，而是决定了上面表达式的语义结构等价于“x > y ? 100 : (++y > 2 ? 20 : 30)”，而不是等价于“(x > y ? 100 : ++y) > 2 ? 20 : 30”。——这才是“向右结合”的真正含义。

编译器确定了表达式的结构之后，就可以准确地为它产生运行时的行为了。条件运算符是C语言中为数不多的对求值次序有明确规定的运算符之一（另位还有三位，分别是逻辑与“&&”、逻辑或“||”和逗号运算符“,”）。

C语言规定：条件表达式首先对条件部分求值，若条件部分为真，则对问号之后冒号之前的部分求值，并将求得的结果作为整个表达式的结果值，否则对冒号之后的部分求值并作为结果值。

因此，对于表达式“x > y ? 100 : (++y > 2 ? 20 : 30)”，首先看x大于y是否成立，在本例中它是成立的，因此整个表达式的值即为100。也因此冒号之后的部分得不到求值机会，它的所有副作用也就没机会生效。



总结一下，本文主要阐述了以下几点：

（1）优先级决定表达式中各种不同的运算符起作用的优先次序，而结合性则在相邻的两个运算符的具有同等优先级时，决定表达式的结合方向；

（2）后自增（后自减）从语义效果上可以理解为在做完自增（自减）之后，返回自增（自减）之前的值作为整个表达式的结果值；

（3）准确来讲，优先级和结合性确定了表达式的语义结构，不能跟求值次序混为一谈。



[PS-1] 维基百科上有C/C++语言运算符表：http://en.wikipedia.org/wiki/Operators_in_C_and_C%2B%2B

[PS-2] 曾在新浪微博上见benbearchen提到有的公司在代码规范中要求：如果while的循环体为空语句，那么必需以continue语句代替，不准只写一个分号。我本人很赞成这个。上面strcpy和strlen的两个例子之所以没那么用，只是为了“随大流”，因为这两个函数的示例实现，许多人、许多书上都这么写。