[C 語言] 程式設計教學：如何使用運算子 (Operators)

前言

在程式語言中，運算子多以符號表示，通常都無法再化約成更小的單位，所以運算子可視為該語言的基礎指令。本文介紹 C 語言的運算子。

代數運算子

代數運算子用來進行日常的十進位代數運算。包括以下運算子：

• +：相加
• -：相減
• *：相乘
• /：相除
• %：取餘數

以下是簡短範例：

#include <assert.h>

int main(void)
{
    assert(4 + 3 == 7);
    assert(4 - 3 == 1);
    assert(4 * 3 == 12);
    assert(4 / 3 == 1);
    assert(4 % 3 == 1);

    return 0;
}

許多 C 語言教材會用 printf 將資料輸出終端機，但我們刻意用 assert 巨集檢查運算結果是否正確。因為透過 assert 巨集可自動檢查程式是否正確，但使用 printf 函式得手動檢查。而且 assert 敘述可以表明我們的意圖。

除了上述運算子，還有遞增和遞減運算子：

• ++
• --

遞增、遞減運算子會帶著隱性的狀態改變，在使用時要注意。以下是範例：

#include <assert.h>

int main(void)
{
    unsigned n = 3;

    assert(++n == 4);
    assert(n++ == 4);
    assert(n == 5);

    return 0;
}

在這個範例中，第一個 assert 敘述使用 ++n，會先加 1 再比較值。但第二個 assert 敘述使用 n++，會先比較值才加 1。

由於遞增、遞減運算子會造成隱性的狀態改變，應儘量把敘述寫簡單一些，以免發生預期外的結果。

二元運算子

二元運算子用在二進位數運算。包括以下運算子：

• &：bitwise AND
• |：bitwise OR
• ^：bitwise XOR
• ~：取補數
• <<：左移 (left shift)
• >>：右移 (right shift)

二元運算有其規則。以下是 & (bitwise AND) 的運算規則：

歸納起來，就是「兩者皆為真時才為真」。

以下是 | (bitwise OR) 的運算規則：

歸納起來，就是「兩者任一為真即為真」。

以下是 ^ (bitwise XOR) 的運算規則：

以下是 ~ (取補數) 的規則：

只看規則會覺得有點抽象，所以我們補上範例程式，並把運算的過程寫在註解裡：

#include <assert.h>

int main(void)
{
    int a = 3;  /* 0000 0011 */
    int b = 5;  /* 0000 0101 */

    /*     0000 0011
        &) 0000 0101
        -------------
           0000 0001  */
    assert((a & b) == 1);

    /*     0000 0011
        |) 0000 0101
        -------------
           0000 0111  */
    assert((a | b) == 7);

    /*     0000 0011
        ^) 0000 0101
        -------------
           0000 0110  */
    assert((a ^ b) == 6);

    /* <<) 0000 0101
       --------------
           0000 1010  */
    assert((b << 1) == 10);

    /* >>) 0000 0101
       --------------
           0000 0010  */
    assert((b >> 1) == 2);

    return 0;
}

二進位運算比十進位運算不直觀，但速度較快。故二進位運算多用於注意速度的低階運算，平常用不太到。

比較運算子

比較運算子用來比較兩個值之間的相對關係。包含以下運算子：

• ==：相等
• !=：相異
• >：大於
• >=：大於或等於
• <：小於
• <=：小於或等於

以下是簡短的範例程式：

#include <assert.h>
#include <stdbool.h>

int main(void)
{
    assert(4 == 4);
    assert(4 != 5);

    assert(5 > 4);
    assert(5 >= 4);

    assert(3 < 4);
    assert(3 <= 4);

    return 0;
}

要注意比較運算子只能用來比較基礎型別，而且要兩者間相容。對於其他型態的資料，要自行撰寫比較函式。像是標準函式庫中的 string.h 函式庫就有比較 C 字串的 strcmp() 函式。其範例如下：

#include <assert.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    assert(strcmp("C", "C++") < 0);
    assert(strcmp("C", "Ada") > 0);

    return 0;
}

邏輯運算子

邏輯運算子用來進行布林運算。以下是 C 語言的邏輯運算子：

• &&：logic AND
• ||：logic OR
• !：logic NOT

C 語言雖然沒有真正的布林數，仍然有布林語境，故仍可進行布林運算。

邏輯運算子和二元運算子規則類似，符號也有點類似，要注意不要寫錯。

以下是 && (logic AND) 的運算規則：

以下是 || (logic OR) 的運算規則：

以下是 ! (logic NOT) 的運算規則：

我們使用 C99 引入的 stdbool.h 函式庫做一些基礎布林運算：

#include <assert.h>
#include <stdbool.h>

int main(void)
{
    assert((true && true) == true);
    assert((true && false) == false);
    assert((false && true) == false);
    assert((false && false) == false);

    assert((true || true) == true);
    assert((true || false) == true);
    assert((false || true) == true);
    assert((false || false) == false);

    assert((!true) == false);
    assert((!false) == true);

    return 0;
}

要注意 true 和 false 都是巨集宣告，這個範例不代表 C 語言有布林數。

指派運算子

指派運算子分為一般指派運算和複合指派運算。一般指派運算就是單純的賦值。複合指派運算則是小小的語法糖。C 語言包含以下指派運算子：

• =：一般賦值
• +=：相加後賦值
• -=：相減後賦值
• *=：相乘後賦值
• /=：相除後賦值
• %=：取餘數後賦值

以下是簡短的範例：

#include <assert.h>

int main(void)
{
    unsigned short n = 4;

    n += 3;
    assert(n == 7);

    return 0;
}

在這個例子中，n 原本是 4，後來經 += (相加後賦值) 變成 7。

三元運算子

三元運算子類似於小型的 if 敘述。其虛擬碼如下：

condition ? a : b

但三元運算子是表達式，和 if 敘述相異。所以，三元運算子會回傳值。

以下範例用三元運算子求得兩值中較大者：

#include <assert.h>

int main(void)
{
    unsigned max = 5 > 3 ? 5 : 3;

    assert(max == 5);

    return 0;
}

其他運算子

以下是一些未歸類的運算子：

• sizeof：取得資料的寬度
• *：宣告指標變數、取值
• &：取址

以下實例用 sizeof 求得不同資料型態的寬度：

#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("Size of bool: %u\n", sizeof(true));

    printf("Size of char: %u\n", sizeof('c'));

    printf("Size of short: %u\n", sizeof((short) 3));
    printf("Size of int: %u\n", sizeof(3));
    printf("Size of long: %u\n", sizeof(3l));
    printf("Size of long long: %u\n", sizeof(3ll));

    printf("Size of float: %u\n", sizeof(3.4f));
    printf("Size of double: %u\n", sizeof(3.4));
    printf("Size of double: %u\n", sizeof(3.4l));

    return 0;
}

sizeof 長得很像函式，但是 sizeof 是運算子，需注意。

運算子優先順序

如果同一行敘述內用到多個運算子時，要如何確認那個運算子會先運算呢？正統的方法是透過查詢運算子優先順序來確認。

實際上程式設計者甚少背誦運算子優先順序。因為：

• 運算子的優先順序和數學的概念相同
• 藉由簡化敘述來簡化運算子的使用
• 適度使用括號來改變運算子優先順序

即使自己很熟運算子的優先順序，也不保證團隊成員都很熟。我們應該要撰寫簡單明暸的敘述，減少大家對程式碼的猜測。