一文带你搞定考试复杂表达式求值问题（和bug郭一起学C系列）

2021-10-02 20:02:10 阅读：183 来源： 互联网

小试牛刀

//复杂表达式求值案例一
#include<stdio.h>
int mian()
{
 	int i=1;
 	int c= (++i) + (i++) + (i++);
 	printf("C=%d",c);
	return 0;
}

//复杂表达式求值案例二
int fun()
{
	static int i=1;
	i++;
	return i;
	
}
#include<stdio.h>
int main()
{
	int sum=fun()+fun()+fun();
	printf("sum=%d",sum);
 return 0;
}

在这里插入图片描述

看了上面的案例，是不是发现有你学校老师出题那味了，你是否被学校的这种题目给恶心到过！
首先恭喜你，今天bug郭就带你吊打这类智障题目！
在这里插入图片描述
@TOC

表达式求值

啥是表达式求值呢？
通俗的说就是，像我们加减乘除算数运算一样，通过计算求得运算结果，而C语言不止加减乘除运算，所有的C语言操作符，计算而得出结果，这就是表达式求值！
表达式求值的顺序
我们已经知道，表达式求值就是操作符运算的结果。像加减乘除都有自己的运算顺序，所以操作符都有自己的运算顺序。
而我们知道C语言有很多操作符，每个操作符的优先级，和结合性又不一样！

表达式求值的顺序一部分是由操作符的优先级和结合性决定。
同样，有些表达式的操作数在求值的过程中可能需要转换为其他类型。

隐式类型转换

什么是隐式类型类型转换
我们C语言中的数据类型很多，当不同类型的数据进行运算时，某一类数据，就会进行类型转换而后进行运算。
C语言中的隐式类型转换规则

C语言中的整型算术运算总是至少以缺省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。

有人就该疑惑了，为啥C语言中要以整型的精度进行计算呢，为啥不能是浮点型？
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(ALU)的操作数的字节长度一般就是int的字节长度，同时也是CPU的通用寄存器的长度。
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长度。
通用CPU（general-purpose 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，表达式中各种长度可能小于int长度的整型值，都必须先转换为int或unsigned int，然后才能送入CPU去执行运算。

我们可以知道计算机中CPU中运算器的运算标准就是整型（int）进行运算，所以当数据类型不足一个整型，计算机会现将该数据进行整型提升，统一成整型，然后送入CPU执行运算！
我们来看看如何进行整型提升

//实例一
char a,b,c;
a=3;  
//3 00000000 00000000 00000000 00000011
//a=3; 00000011  char 只能存8个二进制位
//整型3截断后放入a中   
b=2;
//2 00000000 00000000 00000000 00000010
//b=2; 00000010  char 只能存8个二进制位，
//整型2截断后放入b中  
c=a+b;
//c=a+b;进行运算需要CPU运算器（ALU）
//a和b不足一个整型，需要进行整型提升！
// char a =3;提升后 
//3 00000000 00000000 00000000 00000011
//char b=2;提升后
//2 00000000 00000000 00000000 00000010
//a+b
//5 00000000 00000000 00000000 00000101
//将5存入char c中，进行截断 后  c 00000101
printf("c=%d",c);//最后进行%d（整型）打印时 
//又将进行一次整型提升 5
//00000000 00000000 00000000 00000101

看到就短短一行代码，计算机却进行了这么多计算。这就是整型提升的步骤，看来表达式求值不易，计算机都这么麻烦，何况我们。
在这里插入图片描述其实并不难的只要我们掌握了整型提升的规律，这都小菜一碟。
整型提升规则

整形提升是按照变量的数据类型符号位进行提升的
1.有符号数据类型，整型提升补符号位
2.无符号数据类型，整型提升补0

//实例二
char a = -1;
//-1 原码：10000000 00000000 00000000 00000001
//   补码；11111111 11111111 11111111 11111111 
//   截断a=-1  11111111
unsigned char b = 1;
// 1 原码补码相同
// 00000000 00000000 00000000 00000001
//截断 b=1; 00000001
char c = a + b;
// char a 11111111 有符号字符型 符号位提升
// 11111111 11111111 11111111 11111111
//unsigned char b  00000001 无符号字符型 补0提升
//00000000 00000000 00000000 00000001
//a+b 
//00000000 00000000 00000000 00000000
// char c 截断 00000000
printf("%d",c);
//有符号的形式打印，进行整型提升后
//00000000 00000000 00000000 00000000

看到这里，你肯定会想，这提升了个锤子，这不就是，1+(-1)=0嘛还用得了这么麻烦？

我们看看下面代码你就知道了整型提升的意义

int main()
{
	char a=0xb6;
	short b=0xb600;
	int c=0xb6000000;
	if(a==0xb6)
	   	printf("a");
	if(b==0xb600)
		printf("b");
	if(c==0xb6000000)
		printf("c");
	return 0;
}

打印结果

在这里插入图片描述是不是有点出乎意料！

让我一步一步给你分析

int main()
{
	char a=0xb6;
	// 0xb6 00000000 00000000 00000000 10110110 
	//截断放入a中  a  10110110
	short b=0xb600;
	//0xb600 00000000 00000000 10110110 00000000
	//截断放入b中 b  10110110 00000000
	int c=0xb6000000;
	//00000000 00000000 00000000 0xb6000000 存入C中
	if(a==0xb6)
	   	printf("a");
	//a:10110110 符号位是1 提升
	// 11111111 11111111 11111111 10110110
	// 转换成原码：
	//00000000 00000000 00000000 01001010
	//而0xb6
	// 00000000 00000000 00000000 10110110 
	//显然a!=0xb6;
	if(b==0xb600)
		printf("b");
    //b ：10110110 00000000 符号位是1提升后
    //11111111 11111111 10110110 00000000
    //原码：
    //00000000 00000000 01001010 00000000
    //而0xb600 
    //00000000 00000000 10110110 00000000
    //b!=0xb600
	if(c==0xb6000000)
		printf("c");
	return 0;

整型提升要点总结：

计算机中是以数据的补码存储计算的，都是在补码的基础上继续整型提升和计算
整型提升补充的二进制位是要看该数据类型是有符号类型，还是无符号类型。
有符号类型补充符号位，也就是该数据的最左边的二进制位
无符号类型同一补充0
当一个数据进行有符号类型打印%d直接补充该数据的符号位，然后，将该数据转换成原码就是打印的结果
无符号打印时%u直接补充0然后该数据的原反补码相同。

算数转换

可能学会了整型提升的小伙伴就有所疑惑了，当一个数据超过整型呢？
当这些数据是long， long long， double 等数据类型计算时该如何呢？

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。

该如何转换呢？
也是像整型提升那样，都转换成整型吗？
那必须不是
我们来看看算数转换的规律

//从下往上，层次转换
 long double
 double
 float
 unsigned long int
 long int
 unsigned int
 int

如果某个操作数的类型在上面这个列表中排名较低，那么首先要转换为另外一个操作数的类型后执行运算!

许多操作数类型为算数类型的双目运算符会引发转化，
并以类似的方式产生结果类型。他的目的是产生一个普通类型，
同时也是运算结果的类型。这个模式称为“寻常算数转换”。

                        ——ANSI C手册

通俗来说：算数转换朝着精度更高，空间大小更大的类型进行转换。

//错误的转换
float f=3.1415;
int a=f; //隐式转换，精度丢失！

操作符的属性

在C语言操作符详解中，我已经介绍过了C语言中的所有操作符，还没看的伙伴可以点击查看操作符详解！
复杂表达式的求值有三个影响的因素。

操作符的优先级

两个相邻操作符的计算顺序取决于它们的优先级。

操作符的结合性

当两个操作符的优先级相同时，计算顺序就要看它们的结合性，结合性就是决定从左向右，还是从右向左计算。

是否控制求值顺序。

控制求值顺序就是像||和&&一样会发生短路，当一个假时另一个表达式就停止计算，当一个为真时另一个表达式就停止计算！

两个相邻的操作符先执行哪个？取决于他们的优先级。如果两者的优先级相同，取决于他们的结合性。

操作符优先级及结合性
在这里插入图片描述
这是<<C和指针>>一书中操作符优先级表！
学习C语言的同学怎么可以没读过这本书，强烈安利大家学习！有需要电子版的伙伴可以私聊bug郭

操作符的优先级从上到下，由高到低！
表达式的求值部分由优先级决定！

问题表达式

//表达式一
a*b + c*d + e*f;

这个代码可能有多种结果
我们第一步只能确定在第一个乘和第一个加，是先计算a*b，而第三个乘不能确定是否比第一个加早，所以有多种计算方式。

//1
a*b
c*d
a*b+c*d
e*f
a*b+c*d+e*f
//2
a*b
c*d
e*f
a*b+c*d
a*b+c*d+e*f

//表达式二
c + c--;

注释：同上，操作符的优先级只能决定自减--的运算在+的运算的前面，但是我们并没有办法得知，+操作符的左操作数的获取在右操作数之前还是之后求值,所以结果是不可预测的，是有歧义的。

//表达式三，非法表达式
int main()
{
    int i = 10;
    i = i-- - --i * ( i = -3 ) * i++ + ++i;
    printf("i = %d\n", i);
    return 0;
}

上面表达式的结果在不同编译器下结果不一样。

C和指针一书中整理了不同编译器下的结果
在这里插入图片描述

//表达式四
int fun()
{
     static int count = 1;
     return ++count;
}
int main()
{
     int answer;
     answer = fun() - fun() * fun();
     printf( "%d\n", answer);//输出多少？
     return 0;
}

这个代码有没有实际的问题？
有问题！
虽然在大多数的编译器上求得结果都是相同的。
但是上述代码answer = fun() - fun() * fun(); 中我们只能通过操作符的优先级得知：先算乘法，再算减法。函数的调用先后顺序无法通过操作符的优先级确定。
这样的表达式求值问题是压根没有意义的，如果学校再出此类问题，你就将<<C和指针>>一书甩在你老师面前！

//表达式五
#include <stdio.h>
int main()
{
    int i = 1;
    int ret = (++i) + (++i) + (++i);
    printf("%d\n", ret);
    printf("%d\n", i);
    return 0;
}
//尝试在linux 环境gcc编译器，VS2013环境下都执行，看结果。

linux环境gcc编译器结果
10
4
vs2013环境下结果
12
4
看看同样的代码产生了不同的结果，这是为什么？
简单看一下汇编代码,就可以分析清楚!
这我就不带大家研究了，如果有兴趣的伙伴可以研究一下！

这段代码中的第一个+ 在执行的时候，第三个++是否执行，这个是不确定的，因为依靠操作符的优先级和结合性是无法决定第一个+和第三个前置++的先后顺序。

总结：

我们写出的表达式如果不能通过操作符的属性确定唯一的计算路径，那这个表达式就是存在问题的！

兄弟们，国庆快乐！持续更新中！

标签：搞定,00000000,int,操作符,整型,求值,bug,表达式
来源： https://blog.csdn.net/weixin_52345071/article/details/120585210

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