[C++] 程式設計教學：運算子 (Operator)

前言

在程式語言中，運算子是使用符號的指令。由於運算子無法再化約成更細的指令，運算子可視為程式語言的基本指令。本文介紹 C++ 的運算子。

用 assert 取代標準輸出

在本文及之後的文章中，我們會在一部分範例中用 assert 來取代標準輸出入，這是因為使用 assert 可以明顯地從程式碼中看出程式設計者的意圖，如下例：

#include <cassert>
#include <iostream>

int main(void)
{
    assert(3 + 4 == 7);

    return 0;
}

在這個例子中，我們可以明確地知道我們要檢查的程式碼；如果使用標準輸出，我們還得將程式編譯後輸出，然後再人工確認答案，反而比較麻煩。透過 cassert 函式庫即可使用 assert 敘述。

註：assert 敘述實際上是巨集 (macro)。

算術運算子 (Arithmetic Operators)

算術運算子用於基本的代數運算。以下是 C++ 的算術運算子：

• a + b：相加
• a - b：相減
• a * b：相乘
• a / b：相除
• a % b：取餘數
• +a：取正數
• -a：取負數

以下是範例程式：

#include <cassert>

int main(void)
{
    assert(+3 == 3);
    assert(-3 == -3);

    assert(3 + 4 == 7);
    assert(3 - 4 == -1);
    assert(3 * 4 == 12);

    /* Integer division. */
    assert(3 / 4 == 0);

    assert(3 % 4 == 3);

    return 0;
}

注意整數相除得整數結果，浮點數相除得浮點數結果。浮點數和整數混合運算時，會將整數提升成浮點數。

遞增 (Increment) 和遞減 (Decrement)

遞增/遞減運算是一種語法糖。相當於把 a = a + 1; 簡化成表達式的寫法。根據其情境共有以下四種：

• ++a：前綴遞增。先遞增再取值
• a++：後綴遞增。先取值再遞增
• --a：前綴遞減。先遞減再取值
• a--：後綴遞減。先取值再遞減

需注意前綴和後綴的差異。以下是範例程式：

#include <cassert>

int main(void)
{
    auto n = 3;
    assert(n++ == 3);
    assert(n == 4);

    n = 3;
    assert(++n == 4);
    assert(n == 4);

    return 0;
}

前半的 n++ 是後綴遞增，所以先進行比較完才遞增 1。相對來說，後半的 ++n 是前綴遞增，先遞增 1 才進行比較。

二元運算子 (Bitwise Operators)

二元運算子用於二進位數運算。以下是 C++ 的二元運算子：

• &：且 (bitwise and)
• |：或 (bitwise or)
• ^：互斥或 (bitwise xor)
• ~：取補數
• <<：左移
• >>：右移

以下是 bitwise and 的運算方式：

以下是 bitwise or 的運算方式：

以下是 bitwise xor 的運算方式：

以下列出實例：

#include <cassert>

int main(void)
{
    auto a = 0b0101;
    auto b = 0b0011;

    assert((a & b) == 0b0001);
    assert((a | b) == 0b0111);
    assert((a ^ b) == 0b0110);

    assert((a << 1) == 0b1010);
    assert((a >> 1) == 0b0010);

    return 0;
}

指派運算子 (Assignment Operators)

指派運算子算是一種語法糖。像是 a = a + 1; 就可以改寫成 a += 1;。以下是 C++ 的指派運算子：

• =：指派，未進行其他運算
• +=：相加後指派
• -=：相減後指派
• *=：相乘後指派
• /=：相除後指派
• %=：取餘數後指派
• &=：進行 bitwise and 運算後指派
• |=：進行 bitwise or 運算後指派
• ^=：進行 bitwise xor 運算後指派
• <<=：進行左移後指派
• >>=：進行右移後指派

以下是實例：

#include <cassert>

int main(void)
{
    auto a = 3; a += 4;
    assert(a == 7);

    a = 3; a -= 4;
    assert(a == -1);

    a = 3; a *= 4;
    assert(a == 12);

    a = 3; a /= 4;
    assert(a == 0);

    a = 3; a %= 4;
    assert(a == 3);

    return 0;
}

比較運算子 (Comparison Operators)

比較運算子用來比較兩值間的相對關係。以下是 C++ 的比較運算子：

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

以下是實例：

#include <cassert>

int main(void)
{
    assert(3 + 4 == 7);
    assert(3 + 4 != 5);

    assert(3 + 4 > 5);
    assert(3 + 4 >= 5);

    assert(3 + 4 < 8);
    assert(3 + 4 <= 8);

    return 0;
}

邏輯運算子 (Logic Operators)

邏輯運算子用於邏輯運算。以下是 C++ 的邏輯運算子：

• &&：且 (logical and)
• ||：或 (logical or)
• !：非 (logical not)

以下是 logic and 運算的方式：

以下是 logic or 運算的方式：

以下是 logic not 運算的方式：

以下是實例：

#include <cassert>

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

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

    // NOT
    assert((!true) == false);
    assert((!false) == true);

    return 0;
}

運算子優先順序 (Operator Precedence)

在同一行敘述內碰到多個運算子時，會以運算子優先順序來決定運算順序。這裡有一份 C++ 的運算子優先順序清單。

實際上，程式設計師不太去記憶運算子優先順序。運算子優先順序和數學運算方式相符。可以藉由撰寫簡明的敘述來減少單一敘述內的運算子數量。真的碰到較複雜的敘述時，可以用括號 ( 和 ) 改變運算子優先順序。