Раздел 2. Операции и операторы

Операции языка Си

Любое выражение языка состоит из операндов (переменных, констант и др.), соединенных знаками операций. Знак операции - это символ или группа символов, которые сообщают компилятору о необходимости выполнения определенных арифметических, логических или других действий.

Операции выполняются в строгой последовательности. Величина, определяющая преимущественное право на выполнение той или иной операции, называется приоритетом. В табл. 2 перечислены различные операции языка Си. Их приоритеты для каждой группы одинаковы (группы выделены цветом). Чем большим преимуществом пользуется соответствующая группа операций, тем выше она расположена в таблице. Порядок выполнения операций может регулироваться с помощью круглых скобок.

Таблица 2

Знак операции	Назначение операции
()	Вызов функции
[ ]	Выделение элемента массива
.	Выделение элемента записи
->	Выделение элемента записи
!	Логическое отрицание
~	Поразрядное отрицание
-	Изменение знака
++	Увеличение на единицу
--	Уменьшение на единицу
&	Взятие адреса
*	Обращение по адресу
(тип)	Преобразование типа (т.е. (float) a)
sizeof()	Определение размера в байтах
*	Умножение
/	Деление
%	Определение остатка от деления
+	Сложение
-	Вычитание
<<	Сдвиг влево
>>	Сдвиг вправо
<	Меньше, чем
<=	Меньше или равно
>	Больше, чем
>=	Больше или равно
= =	Равно
!=	Не равно
&	Поразрядное логическое "И"
^	Поразрядное исключающее "ИЛИ"
|	Поразрядное логическое "ИЛИ"
&&	Логическое "И"
||	Логическое "ИЛИ"
?:	Условная (тернарная) операция
=	Присваивание
+=, - =, *=, /=, %=, <<=, >>=, &=, |=, ^=	Составные операции присваивания (например, а *= b (т.е. a = a * b) и т.д.)
,	Операция запятая

Для исключения путаницы в понятиях "операция" и "оператор", отметим, что оператор - это наименьшая исполняемая единица программы. Различают операторы выражения, действие которых состоит в вычислении заданных выражений (например: a = sin(b)+c; j++;), операторы объявления, составные операторы, пустые операторы, операторы метки, цикла и т.д. Для обозначения конца оператора в языке Си используется точка с запятой. Что касается составного оператора (или блока), представляющего собой набор логически связанных операторов, помещенных между открывающей ({) и закрывающей (}) фигурными скобками ("операторными скобками"), то за ним точка с запятой не ставится. Отметим, что блок отличается от составного оператора наличием определений в теле блока.

Охарактеризуем основные операции языка Си. Сначала рассмотрим одну из них - операцию присваивания (=). Выражение вида

х = у;

присваивает переменной х значение переменной у. Операцию "=" разрешается использовать многократно в одном выражении, например:

x = y = z = 100;

Различают унарные и бинарные операции. У первых из них один операнд, а у вторых - два. Начнем их рассмотрение с операций, отнесенных к первой из следующих традиционных групп:

1. Арифметические операции.
2. Логические операции и операции отношения.
3. Операции с битами.

Арифметические операции задаются следующими символами (табл. 2): +, -, *, /, %. Последнюю из них нельзя применять к переменным вещественного типа. Например:

a = b + c;

x = y - z;

r = t * v;

s = k / l;

p = q % w;

Логические операции отношения задаются следующими символами (см. табл. 2): && ("И"), || ("ИЛИ"),! ("НЕ"), >, >=, <, <=, = = (равно),!= (не равно). Традиционно эти операции должны давать одно из двух значений: истину или ложь. В языке Си принято следующее правило: истина - это любое ненулевое значение; ложь - это нулевое значение. Выражения, использующие логические операции и операции отношения, возвращают 0 для ложного значения и 1 для истинного. Ниже приводится таблица истинности для логических операций.

Таблица 3

x	y	x&&y	x||y	!x

Битовые операции можно применять к переменным, имеющим типы int, char, а также их вариантам (например, long int). Их нельзя применять к переменным типов float, double, void (или более сложных типов). Эти операции задаются следующими символами: ~ (поразрядное отрицание), << (сдвиг влево), >> (сдвиг вправо), & (поразрядное "И"), ^ (поразрядное исключающее "ИЛИ"), | (поразрядное "ИЛИ").

Примеры: если a = 0000 1111 и b = 1000 1000, то

~a = 1111 0000,

a << 1 = 0001 1110,

a >> 1 = 0000 0111,

a & b = 0000 1000,

a ^ b = 1000 0111,

a | b = 1000 1111.

В языке предусмотрены две нетрадиционные операции инкремента (++) и декремента (--). Они предназначены для увеличения и уменьшения на единицу значения операнда. Операции ++ и -- можно записывать как перед операндом, так и после него. В первом случае (++n или --n) значение операнда (n) изменяется перед его использованием в соответствующем выражении, а во втором (n++ или n--) - после его использования. Рассмотрим две следующие строки программы:

a = b + c++;

a1 = b1 + ++c1;

Предположим, что b = b1 = 2, c = c1 = 4. Тогда после выполнения операций: a = 6, b = 2, c = 5, a1 = 7, b1 = 2, c1 = 5.

Широкое распространение находят также выражения с еще одной нетрадиционной тернарной или условной операцией?:. В формуле

y = x? a: b;

y = a, если x не равно нулю (т.е. истинно), и y = b, если х равно нулю (ложно). Следующее выражение

y = (a>b)? a: b;

позволяет присвоить переменной у значение большей переменной (а или b), т.е. y = max(a, b).

Еще одним отличием языка является то, что выражение вида а = а + 5; можно записать в другой форме: a += 5;. Вместо знака + можно использовать и символы других бинарных операций (см. табл. 2).

Другие операции из табл. 2 будут описаны в последующих параграфах.

 

 

Преобразование типов

Если в выражении появляются операнды различных типов, то они преобразуются к некоторому общему типу, при этом к каждому арифметическому операнду применяется такая последовательность правил:

1. Если один из операндов в выражении имеет тип long double, то остальные тоже преобразуются к типу long double.
2. В противном случае, если один из операндов в выражении имеет тип double, то остальные тоже преобразуются к типу double.
3. В противном случае, если один из операндов в выражении имеет тип float, то остальные тоже преобразуются к типу float.
4. В противном случае, если один из операндов в выражении имеет тип unsigned long, то остальные тоже преобразуются к типу unsigned long.
5. В противном случае, если один из операндов в выражении имеет тип long, то остальные тоже преобразуются к типу long.
6. В противном случае, если один из операндов в выражении имеет тип unsigned, то остальные тоже преобразуются. к типу unsigned.
7. В противном случае все операнды преобразуются к типу int. При этом тип char преобразуется в int со знаком; тип unsigned char в int, у которого старший байт всегда нулевой; тип signed char в int, у которого в знаковый разряд передается знак из сhar; тип short в int (знаковый или беззнаковый).

Предположим, что вычислено значение некоторого выражения в правой части оператора присваивания. В левой части оператора присваивания записана некоторая переменная, причем ее тип отличается от типа результата в правой части. Здесь правила преобразования очень простые: значение справа от оператора присваивания преобразуется к типу переменной слева от оператора присваивания. Если размер результата в правой части больше размера операнда в левой части, то старшая часть этого результата будет потеряна.

В языке Си можно явно указать тип любого выражения. Для этого используется операция преобразования ("приведения") типа. Она применяется следующим образом:

(тип) выражение

(здесь можно указать любой допустимый в языке Си тип).

Рассмотрим пример:

int a = 30000;

float b;

........

b = (float) a * 12;

(переменная a целого типа явно преобразована к типу float; если этого не сделать, то результат будет потерян, т.к. a * 12 > 32767).

Преобразование типа также может использоваться для преобразования типов аргументов при вызове функций.

 

Указатели и операции с ними

Указатели - это переменные, показывающие место или адрес памяти, где расположены другие объекты (переменные, функции и др.). Так как указатель содержит адрес некоторого объекта, то через него можно обращаться к этому объекту.

Унарная операция & дает адрес объекта, поэтому оператор

у = &х;

присваивает адрес переменной х переменной у. Операцию & нельзя применять к константам и выражениям; конструкции вида &(х+7) или &28 недопустимы.

Унарная операция * воспринимает свой операнд как адрес некоторого объекта и использует этот адрес для выборки содержимого, поэтому оператор

z = *y;

присваивает z значение переменной, записанной по адресу у. Если

y = &x;

z = *у;

то z = x.

Объекты, состоящие из знака * и адреса (например, *а), необходимо определить. Делается это, например, так:

int *а, *b, *с;

char *d;

Определение вида char *d говорит о том, что значение, записанное по адресу d, имеет тип char.

Указатели могут встречаться и в выражениях. Если у - указатель на целое, т.е. имело место объявление int *у, то *у может появиться там же, где и любая другая переменная, не являющаяся указателем. Таким образом, следующие выражения вполне допустимы:

*у = 7;

*x *=5;

(*z)++;

Первое из них заносит число 7 в ячейку памяти по адресу у, второе увеличивает значение по адресу х в пять раз, третье добавляет единицу к содержимому ячейки памяти с адресом z. В последнем случае круглые скобки необходимы, так как операции с одинаковым приоритетом выполняются справа налево. В результате если, например, *z = 5, то (*z)++ приведет к тому, что *z = 6, а *z++ всего лишь изменит сам адрес z (операция ++ выполняется над адресом z, а не над значением *z по этому адресу).

Указатели можно использовать как операнды в арифметических операциях. Если у - указатель, то унарная операция y++ увеличивает его значение; теперь оно является адресом следующего элемента. Указатели и целые числа можно складывать. Конструкция у + n (у - указатель, n - целое число) задает адрес n-гo объекта, на который указывает у. Это справедливо для любых объектов (int, char, float и др.); транслятор будет масштабировать приращение адреса в соответствии с типом, указанным в определении объекта.

Любой адрес можно проверить на равенство (==) или неравенство (!=) со специальным значением NULL, которое позволяет определить ничего не адресующий указатель.

 

Операторы цикла

Циклы организуются, чтобы выполнить некоторый оператор или группу операторов определенное число раз. В языке Си три оператора цикла: for, while и do - while. Первый из них формально записывается, в следующем виде:

for (выражение_1; выражение_2; выражение_3) тело_цикла

Тело цикла составляет либо один оператор, либо несколько операторов, заключенных в фигурные скобки {... } (после блока точка с запятой не ставится). В выражениях 1, 2, 3 фигурирует специальная переменная, называемая управляющей. По ее значению устанавливается необходимость повторения цикла или выхода из него.

Выражение_1 присваивает начальное значение управляющей переменной, выражение_З изменяет его на каждом шаге, а выражение_2 проверяет, не достигло ли оно граничного значения, устанавливающего необходимость выхода из цикла.

Примеры:

for (i = 1; i < 10; i++)

{...

}

 

for (сh = 'a'; ch!= 'p';) scanf ("%c", &ch);

/* Цикл будет выполняться до тех пор, пока с клавиатуры

не будет введен символ 'p' */

Любое из трех выражений в цикле for может отсутствовать, однако точка с запятой должна оставаться. Таким образом, for (;;) {...} - это бесконечный цикл, из которого можно выйти лишь другими способами.

В языке Си принято следующее правило. Любое выражение с операцией присваивания, заключенное в круглые скобки, имеет значение, равное присваиваемому. Например, выражение (а=7+2) имеет значение 9. После этого можно записать другое выражение, например: ((а=7+2)<10), которое в данном случае будет всегда давать истинное значение. Следующая конструкция:

((сh = getch()) == 'i')

позволяет вводить значение переменной сh и давать истинный результат только тогда, когда введенным значением является буква 'i'. В скобках можно записывать и несколько формул, составляющих сложное выражение. Для этих целей используется операция запятая. Формулы будут вычисляться слева направо, и все выражение примет значение последней вычисленной формулы. Например, если имеются две переменные типа char, то выражение

z = (х = у, у = getch());

определяет следующие действия: значение переменной у присваивается переменной х; вводится символ с клавиатуры и присваивается переменной у; z получает значение переменной у. Скобки здесь необходимы, поскольку операция запятая имеет более низкий приоритет, чем операция присваивания, записанная после переменной z. Операция запятая находит широкое применение для построения выражений цикла for и позволяет параллельно изменять значения нескольких управляющих переменных.

Допускаются вложенные конструкции, т.е. в теле некоторого цикла могут встречаться другие операторы for.

Оператор while формально записывается в таком виде:

while (выражение) тело_цикла

Выражение в скобках может принимать ненулевое (истинное) или нулевое (ложное) значение. Если оно истинно, то выполняется тело цикла и выражение вычисляется снова. Если выражение ложно, то цикл while заканчивается.

Оператор do-while формально записывается следующим образом:

do {тело_цикла} while (выражение);

Основным отличием между циклами while и do - while является то, что тело в цикле do - while выполняется по крайней мере один раз. Тело цикла будет выполняться до тех пор, пока выражение в скобках не примет ложное значение. Если оно ложно при входе в цикл, то его тело выполняется ровно один раз.

Допускается вложенность одних циклов в другие, т.е. в теле любого цикла могут появляться операторы for, while и do - while.

В теле цикла могут использоваться новые операторы break и continue. Оператор break обеспечивает немедленный выход из цикла, оператор continue вызывает прекращение очередной и начало следующей итерации.

 

Операторы условных и безусловных переходов

Для организации условных и безусловных переходов в программе на языке Си используются операторы: if - else, switch и goto. Первый из них записывается следующим образом:

if (проверка_условия) оператор_1; else оператор_2;

Если условие в скобках принимает истинное значение, выполняется оператор_1, если ложное - оператор_2. Если вместо одного необходимо выполнить несколько операторов, то они заключаются в фигурные скобки. В операторе if слово else может отсутствовать.

В операторе if - else непосредственно после ключевых слов if и else должны следовать другие операторы. Если хотя бы один из них является оператором if, его называют вложенным. Согласно принятому в языке Си соглашению слово else всегда относится к ближайшему предшествующему ему if.

Оператор switch позволяет выбрать одну из нескольких альтернатив. Он записывается в следующем формальном виде:

switch (выражение)

{

case константа_1: операторы_1;

break;

 

case константа_2: операторы_2;

break;

................

default: операторы_default;

}

Здесь вычисляется значение целого выражения в скобках (его иногда называют селектором) и оно сравнивается со всеми константами (константными выражениями). Все константы должны быть различными. При совпадении выполнится соответствующий вариант операторов (один или несколько операторов). Вариант с ключевым словом default реализуется, если ни один другой не подошел (слово default может и отсутствовать). Если default отсутствует, а все результаты сравнения отрицательны, то ни один вариант не выполняется.

Для прекращения последующих проверок после успешного выбора некоторого варианта используется оператор break, обеспечивающий немедленный выход из переключателя switch.

Допускаются вложенные конструкции switch.

Рассмотрим правила выполнения безусловного перехода, который можно представить в следующей форме:

goto метка;

Метка - это любой идентификатор, после которого поставлено двоеточие. Оператор goto указывает на то, что выполнение программы необходимо продолжить начиная с оператора, перед которым записана метка. Метку можно поставить перед любым оператором в той функции, где находится соответствующий ей оператор goto. Ее не надо объявлять.