Операции и выражения

Несмотря на ограниченный набор базовых типов данных (це­лые и вещественные арифметические данные и строковые литера­лы), в языке C++ определен обширный набор операций над дан­ными, часть из которых непосредственно соответствует машин­ным командам.

Операции служат для построения выражений.

Выражение - последовательность операндов и знаков операций и служит для вычисления некоторого значения.

В качестве операндов в выражении выступают идентификато­ры переменных, константы и строковые литералы, являющиеся первичными выражениями. Выражение, заключенное в круглые скобки, рассматривается как первичное. Каждая операция предполагает использование определенных типов операндов (це­лых, вещественных, указателей). Операция присваивания является выражением, поэтому различаются операн­ды, которым можно присвоить новое значение, и операнды, зна­чения которых не могут меняться. Чтобы операнду можно было присвоить значение, ему должна соответствовать область памяти, и компилятору должен быть известен адрес этой области. Такие операнды называют L-выражениями, т.к. они могут быть запи­саны в левой части оператора присваивания.

Операция ":: " (два двоеточия) применяется для уточнения имени объекта программы в случае, когда в этом месте програм­мы известны два одинаковых имени, например, когда одно имя объявлено глобально, а другое - в теле функции. Если имени пред­шествуют два двоеточия, то это глобальное имя.

Результат вычисления выражения зависит от приоритетов опе­раций. В C++ реализована система приоритетов опера­ций, включающая 16 уровней. В табл.2 приведен перечень опе­раций с указанием их приоритетов, назначения и схемы запи­си

Таблица 4.2

Операции в C++

 

Знак операции	Назначение	Схема	Приори­тет
::	Доступ к глобальному имени или имени из другой облас­ти	:: идентификатор (глобаль­ный) имя области:: имя_члена_струк­туры
–>	Обращение к члену струк­туры по ука­зателю на структуру	указатель -> имя_члена_структуры
.	Обращение к члену струк­туры по име­ни структуры	имя_структуры имя_члена_структуры
[ ]	Обращение к элементу массива	указатель [ин­декс]
()	Преобразова­ние типа данного	имя_типа (выра­жение) или (тип) выражение
()	Вызов функ­ции	Функция (аргу­менты)
++	Увеличение	++L-значение или L-значение++
--	Уменьшение	--L-значение или L-значение--
~	Битовое инвертирование	~ целое_выра­жение
!	Логическое отрицание	! выражение
-	Одноместный минус	- выражение
+	Одноместный плюс	+ выражение
&	Получение адреса	& L-значение
Продолжение табл. 4.2
*	Разыменова­ние указателя	* указатель
new	Выделение динамиче­ской памяти	new тип_данного
delete	Освобожде­ние памяти	delete указатель
delete [ ]	Освобожде­ние памяти для массива	delete [ ] ука­затель
sizeof	Размер дан­ного	Sizeof выражение
sizeof	Размер типа данного	Sizeof (имя_типа)
*	Умножение	выражение1 * выражение2
/	Деление	выражение1 / выражение2
%	Остаток от целочислен­ного деления	выражение1 % выражение2
-> *	Обращение к члену струк­туры по ука­зателю	указатель_на_струк туру -> * имя_члена_струк­туры-указателя
.*	Обращение к члену струк­туры по име­ни структуры	имя_структуры .*имя_члена_структуры-указателя
+	Одноместный плюс	выражение1 + выражение2
-	Одноместный минус	выражение1 - выражение2
< <	Сдвиг влево	целое_выражение1 < < целое_выра-жение2
> >	Сдвиг вправо	целое_выражение1 > > целое_выра-жение2
Окончание табл. 4.2
<	Меньше	Выражение1 < выражение2
< =	Меньше или равно	Выражение1 < = выражение2
>	Больше	Выражение1> выражение2
> =	Больше или равно	выражение1 > = выражение2
==	Равно	выражение1 == выражение2
! =	Не равно	выражение1! = выражение2
&	Поразрядная конъюнкция	Выражение1 & выражение2
^	Отрицание равнозначно­сти	выражение1 ^ выражение2
|	Поразрядная дизъюнкция	выражение! | выражение2
& &	Логическое " И"	выражение1 & & выражение2
| |	Логическое " ИЛИ"	выражение1 | | выражение2
?:	Условное выражение	выражение? выражение1: выражение2
=	Простое при­сваивание	выражение1 = выражение2
@=	Составное присваива­ние, знак @ - один из зна­ков операций * / % + - < < > > & ^ |	выражение1 @= выражение2
,	Операция следования	выражение1, выражение2

Обращение к членам структуры или объединения - имя структурного данного либо указа­теля на структурное данное. В первом случае полное имя члена структуры состоит из имени самой структуры и имени члена структуры, разделенных точкой. Во втором случае за именем указателя на структуру ставится знак -> (стрелка), а за ним - имя члена структуры.

Например, пусть в программе объявлен структурный тип Аn-Struct, содержащий компоненту с именем mmb типа int, и объ­явлены такие объекты:

AnStruct st1; //Данное s1 типа AnStruct AnStruct *pst1 = Sst1; //Указатель на //данное типа AnStruct

Тогда к члену структуры mmb из st1 можно обратиться как к st1.mmb или как pst1-> mmb.

Поскольку членом структуры может быть указатель, в C++ имеются специальные операции разыменования такого указателя, операции.* и ->. Пусть одним из членов структуры AnStruct является указатель pp1на данное типа int.Тогда выражения st1. *pp1 и pst1-> *pp1обеспечат доступ к значению данного, на которое указывает pp1 из st1.

Имя массива интерпретируется как указатель-константа на первый элемент массива. Для разыменования указателя, т.е. для доступа к данному по указателю, служит операция *.

Если в программе объявлен массив int NewArray [10];

то выражение *NewArray=0присвоит нулевое значение первому элементу массива. Для обращения к произвольному элементу массива указывается индекс элемента, например NewAr­ray [3], что эквивалентно выражению * (NewAr­ray + 3), т.е. сначала увеличивается указатель NewArray на 3 единицы, а затем разыменовыается полученный указатель. При сложении указателя на объект некоторого типа Т с целым числом N значение указателя увеличивается на N, умноженное на длину данного типа Т.

Индекс - любое выражение со зна­чением целого типа.

Индекс можно задавать не только для имен мас­сивов, но и для любого типа указателя, кроме указателя на тип void:

int *pint = & Array[4]; pint [2] =1;

 

Указатель pintинициализирован адресом 5-го элемента массива Array, а 7-му элементу массива присвоено значение 1.

C++ является типизированным языком и в нем опре­делены явные и неявные преобразования типов данных.

Неявные преобразования - стандартные арифметические преобразования, выполняемые при двухместных арифметических операциях, а также при операциях присваивания.

Некоторые операции в зависимости от своих операндов вызывают преобразование значения операнда одного типа в другой. Если ре­зультат является ссылкой, то в результате преобразования получается адрес.

Стандартные преобразования для целочисленных осуществляются при необходимости обработки целого. Для этого можно использовать char, short int, элемент перечисления или битовое поле, при­чем в знаковом и беззнаковом вариантах. Если intпред­ставляет все значения исходного типа, значение преобразуется к int, иначе оно преобразуется к unsigned int.

Если целое преобразуется к знаковому типу, значение не меня­ется, при условии, что его можно представить с помощью нового типа, иначе значение определяется реализацией.

Для выражений floatприменима арифметика с обычной точностью. Если значение с плавающей точкой мень­шей точности преобразуется в floatбольшей точности, то изменения значения не происходит. Если же значение с плавающей точкой большей точности преобразуется в floatменьшей точности и значение находится в пределах, задаваемых представлением типа, в результате получается ближайшее большее (меньшее) представимое значение. Если результат оказался вне границ представления типа, пове­дение его не определено.

Преобразование значения с плавающей точкой к целочислен­ному типу сводится к отбрасыванию дробной части. Важно помнить в какую сторону будет проходить усечение для отрицательных чисел, на разных компиляторах оно определяется по-разному. Результат считается неопределенным, если значение нельзя представить в целочисленном типе.

При преобразовании целочисленных значений к значениям с плавающей точкой может произойти потеря точности, если цело­численное значение нельзя точно представить как значение с пла­вающей точкой.

Для большинства операций преобразования операндов тип ре­зультата определяется одними и теми же правилами:

· если один из операндов - long double, другой операнд также преобразуется в long double;

· если один из операндов - double, другой операнд также преобразуется в double;

· если один из операндов - float, другой операнд преоб­разуется в float.

Стандартные целочисленные преобразования могут происхо­дить над обоими операндами. Если один из операндов unsigned long, другой операнд преобразуется в unsigned long;

· если один из операндов long int, а другой - un­signed int, то при условии, что long int представляет все возможные значения unsigned int, последний преобразуется в long int, в противном случае оба операнда преобразуются в un­signed long int;

· если один из операндов - long, другой операнд также преобразуется в long;

· если один из операндов - unsigned, другой операнд преобразуется в unsigned.

При инициализации, сравнении или использо­вании указателей иным образом происходят следующие преобразования:

· константное выражение, которое сводится к нулю, преоб­разуется в указатель, обычно называемый пустым указате­лем. Значение такого указателя будет отлично от любого указателя на объект или функцию;

· указатель на функцию можно преобразовать в void* при условии, что для void* отводится достаточно памяти, чтобы хранить этот указатель;

· указатель на класс можно преобразовать в указатель на доступный базовый класс данного класса, если такое пре­образование не содержит двусмысленность.

· указатель на объект любого типа, не являющегося const или volatile, можно преобразовать в void*;

Базовый класс считается доступным, если доступны его общие члены; результатом преобразования будет указатель на объект типа базового класса;

· пустой указатель (0) преобразуется сам в себя;

· выражение типа " массив А" может преобразовываться в указатель на начальный элемент массива;

· выражение типа " функция, возвращающая А", преобразу­ется в " указатель на функцию, возвращающую А", за ис­ключением тех случаев, когда оно используется как опе­ранд адресной операции & или операции вызова функции ().

Всюду, где ссылки инициализируются (включая передачу па­раметров и возврат значения функции) или используются иным образом, ссылка на класс может быть преобразована в ссылку на доступный базовый класс данного класса, если такое преобразование не содержит двусмысленности. Результатом этого будет ссылка на объект базового класса, вло­женный в объект производного класса.

Явное преобразование типов задается в двух фор­мах.

Первая форма совместима с языком С, в ней за именем типа в круглых скобках записывается преобразуемое значение, которое может быть первичным выражением или выражением с одномест­ной операцией. Имя типа в этом случае может быть представлено последовательностью описателей, например (long int *) р определяет преобразование некоторого данного р в тип указателя на long int.

Вторая форма преобразования типа записывается как вызов функции, при этом имя типа должно задаваться иденти­фикатором, например int (x). Результат явного преобразования не является L - значением.

Операции увеличения и уменьшения(++ и -) являются пре­фиксными и постфиксными, вызывая увеличение (уменьшение) своего операнда на единицу, т.е. выражение ++хr эквивалентно xr = хr + 1, а - хr эквивалентно хr = хr - 1. Префикс­ная операция выполняется до того, как ее операнд будет использо­ван в вычислении выражения, а постфиксная операция выполняет­ся после того, как ее операнд будет использован в выражении, например, в результате вычисления выражения

++ xr * 2 + yr-- *3;

переменная xr увеличивается на 1, затем умножается на 2; переменная уrумножается на 3, затем уменьшает­ся на 1. Если перед вычислением этого выражения хr и уrбыли равны 1, то результат выражения равен 5; кроме того, пе­ременная получит значение 2, а переменная уr - значение 0. Та­ким образом, операции увеличения и уменьшения всегда дают побочный эффект, изменяя значения своих операндов. Операнды этих операций должны быть L-значениями.

Операция ~ (тильда) применяется только к целому значению и заменяет все биты своего операнда со значением 0 на 1, а биты со значением 1 на 0.

Логическое отрицание (операция!) возвращает значение 0 це­лого типа, если операнд не равен нулю, или значение 1, если опе­ранд равен нулю.

Операции " одноместный +" и " одноместный -" имеют обыч­ный математический смысл, знак " +" не изменяет значения опе­ранда, " -" - меняет знак операнда на противоположный.

Для получения адреса операнда, являющегося L - значением, применяется операция & (амперсанд). Результатом этой операции будет указатель на соответствующий тип данного. Разыменование указателя, т.е. получение значения данного по указателю на него обеспечивается операцией *. Результат операции ра­зыменования является L-значением.

Операции с динамической памятью - опера­ции размещения данных в динамической памяти и удаления динамических данных из памяти.

New – операция, требующая в качестве операнда имя типа и предна­значенная для размещения данного указанного типа в динамической памяти.

Результатом операции является указатель на данное. При не­возможности выделить память операция new возвращает значение null ( предопределенная константа, имеющая нулевое значение во всех компиляторах). Память, выделяемую операцией new, можно инициализировать, указав за именем типа скалярного данного начальное значение в круглых скобках.

Примеры применения операции new:

int * intptr1 = new int; / * создание объекта //типа int и получение указателя на него

int *intptr2 - new int(2); //то же с // установкой начального значения 2

inr *intArray - new int [10]; // массив из //10 элементов типа int

Delete – операция, освобождающая динамическую память, но не изменяющая значение указателя-операнда.

После освобождения памяти использовать этот указатель для обращения к данному нельзя.

Данное, размещенное в динамической памяти операцией new, удаляется из памяти delete с операндом-указателем, значение которого получено операцией new, например:

delete intArray; delete ip2;

Sizeof - операция получения размера данного или типа данного в байтах.

Операнд может быть любого типа, кроме функции и битового поля. Если операндом является имя типа, оно должно заключаться в скобки. Возвращаемое значение имеет пре­допределенный тип size_t; это целый тип, размер которого определяется реализацией компилятора (обычно size_t соответствует unsigned int ). Размер массива равен числубайт, занимаемых массивом в памяти; размер строкового литерала - это число знаков в литерале +1, т.е. завершающий нулевой байт, учи­тывающийся при определении длины литерала.

Значение, возвращае­мое sizeof, является константой.

Двухместные арифметические операции умножения (*), де­ления (/), получения остатка от деления нацело (%), сложения (+) и вычитания (-) имеют обычный смысл и обычный относи­тельный приоритет. Если операнды арифметической операции имеют разные типы, то предварительно выполняются стандартные арифметические преобразования и тип результата операции опре­деляется общим типом операндов после стандартных преобразо­ваний. Следовательно, выражение 7/2 будет иметь значение 3 типа int, т.к. оба операнда имеют тип int, а выражение 7.0/2 даст результат 3.5 типа double, поскольку этот тип имеет первый операнд.

Отношение двух выражений (<, < =, >, > =) – операция, требующая операндов арифметического типа или, чтобы операнды были указателями на одинаковый тип. В случае операндов ариф­метического типа вычисляются значения операндов, выполняются стандартные арифметические преобразования и возвращается 1 типа int, если отношение выполняется (истинно) или 0, если отношение не выполняется (ложно). При сравнении ука­зателей результат зависит от относительного размещения в памяти объектов, на которые ссылаются указатели.

Операции сравнения (== и! =) выполняются подобным образом, но имеют мень­ший приоритет.

Выражения отношений соединяются логическими связ­ками & & и | |.

Конъюнкция, логическое умножение (& &) - операция, дающая результат, равный 1 типа int, если оба операнда имеют ненуле­вые значения.

Дизъюнкция, логическое сложение (| |) - операция дает результат, равный 0, если значе­ния обоих операндов нулевые.

В общем случае операндами логических связок могут быть любые скалярные значения. Применяется сокращенная форма вычисления значения логических связок: если в операции & & пер­вый операнд равен нулю, то второй операнд не вычисляется и возвращается 0; если в операции | | первый операнд не равен нулю, то второй операнд не вычисляется и возвращается зна­чение 1.

Присваивание (=) – операция, возвращающая значение, присвоенное левому операнду.

Операция присваивания вычисляется справа налево, т.е. сначала вычисляется присваиваемое значение, затем выполняется присваивание. Это позволяет записывать выражения вида х=у=z=1 для установки одинаковых значений не­скольким переменным. Строятся выражения и с побочным эффектом вида (х = 2)*(у = 3)+(z - 4). Результатом этого выраже­ния будет 24, но одновременно переменные х, у и z получат но­вые значения.

Кроме простого присваивания имеется набор составных операций присваивания, в которых присваивание совмещается с указан­ной двуместной операцией. Запись х += у эквивалентна выражению х = х + у.

Для целых операндов определены операции сдвига влево и вправо. При выполнении операции r1«r2 биты первого опе­ранда сдвигаются влево на r1 разрядов и результат имеет тип первого операнда. Освобождающиеся правые разряды заполняют­ся нулями. В свою очередь, при сдвиге вправо (r1> > r2), если r1 имеет тип unsigned, освобождающиеся левые разряды за­полняются нулями, а при r1 типа signedв освобождающихся левых разрядах повторяется знаковый разряд.

Над целыми операндами допустимы операции поразрядного логического умножения, логического сложения и исключающего или (отрицания равнозначности). В этих операциях операнды рассматриваются как последовательности битов, и операция вы­полняется над каждой парой соответствующих разрядов из обоих операндов.

Конструкция, называемая условным вы­ражением, строится по схеме: условие? выражение1: выражение2.

В качестве условия может выступать любое скалярное выра­жение. Если результат вычисления условия ненулевой, то значе­нием всего выражения будет выражение1, при нулевом значении условия значение всего выражения определяется выражением2. Второй и третий операнды условного выражения должны быть оба: арифметического типа либо однотипными структурами или объединениями, либо указателями одинакового типа, либо один из них - указатель на какой-либо тип, а другой операнд - null или имеет тип void*. Выражение х > 0? 1: 0 возвращает 1, если хбольше 0, и 0 в противном случае

Последовательность выражений обычно разделяется запятыми, тогда все выражения вычисляются слева направо, значение последнего выражения в списке, возвращается.

Например, в результате вычисления выраже­ния

x = 2, е* 3, х + 1;

будет получено значение 3 и попутно х получит значение 2. Результат умножения е*3 никак не может быть использован.

 

4.4. Операторы C++

 

Операторы - это синтаксические конструкции, которые опре­деляют действия, выполняемые программой.

Типы операторов: операторы-выражения, операторы вы­бора, операторы цикла и оператор перехода. Синтаксис операторов содержит выражения, играющие роль условий, в зави­симости от выполнения которых выбирается та или иная последовательность действий. Поскольку в Си нет буле­вых выражений, в качестве условий используются выраже­ния, дающие скалярные значения. Условие считается выполнен­ным, если это значение отлично от нуля, и невыполненным, если оно равно нулю. Несколько операторов могут быть объединены в составной оператор заключением их в фигурные скобки. Признаком конца оператора (кроме составного) служит точка с запятой, являющаяся в этом случае частью опера­тора. Перед любым оператором может быть записана метка в виде идентификатора, отделенного от помечаемого оператора двоето­чием. Метка служит только для указания ее в операторе перехода.

Oпepaтop-выражение - наиболее простой оператор, представляющий собой полное выражение, заканчи­вающееся точкой с запятой, например:

х = 3;

у = (х + 1) * t;

i++;

Выражение, оформленное как оператор, вычисляется, но его значение теряется, и действие оператора-выражения состоит в побочных эффектах, сопровождающих вычисление (например, при выполнении операций присваивания, увеличения или умень­шения).

Операторы выбора в C++ представлены условным оператором и переключателем.

Условный оператор подобен условным операторам других языков программирования и может использо­ваться в сокращенной и полной формах, которым соответствуют схемы:

if (выражение-условие) оператор

if (выражение-условие) оператор1 else

оператор2

В сокращенной форме условного оператора вычисляется вы­ражение-условие и, если его значение отлично от нуля, вы­полняется следующий за условием оператор, в противном слу­чае не производится никаких действий.

В полной форме условного оператора при ненулевом значении выражения-условия выполняется оператор1с последующим переходом к следующему оператору программы, а при нулевом значении выражения условия выполняется оператор2 с перехо­дом к следующему оператору программы.

Переключатель позволяет выбрать одну из нескольких воз­можных ветвей вычислений и строится по схеме:

switch (целое выражение) оператор

Оператор в этом случае представляет собой тело переключа­теля, всегда является составным и имеет такой вид:

{ case константа1: операторы

case константа2: операторы

default: операторы }

Выполнение переключателя состоит в вычислении управляю­щего выражения и переходе к группе операторов, помеченных case-меткой, равной управляющему выражению; если такой case-Метки нет, выполняются операторы по метке default.Пункт defaultможет отсутствовать, и тогда, если управляющему вы­ражению не соответствует ни одна case-метка, весь переключатель эквивалентен пустому оператору. Следует учитывать, что при выполнении переключателя происходит переход на оператор с выбранной case-меткой, и дальше операторы выполняются в есте­ственном порядке.

Например, в переключателе

switch (count) {

case 1: xr = 1;

case 2: xr = 2;

case 3: xr = 3;

default: xr = 4;

}

если значение countравно 1, то после перехода на case 1будут выполнены все операторы, в результате хr станет равным 4. Что­бы разделить ветви переключателя, в конце каждой ветви нужно записать оператор break.По этому оператору происходит выход из переключателя к следующему оператору программы:

switch (count) {

case 1: х = 1; break;

case 2: x = 2; break;

case 3: x = 3; break;

default: x =4;

}

Теперь в зависимости от значения count будет выполняться только одна ветвь переключателя и хr будет принимать одно из четырех предусмотренных значений.

Операторы цикла: цикл с предусловием, цикл с пост-

условием и цикл с парамет­ром.

Цикл с предусловием строится по схеме:

while (выражение-условие) оператор

При каждом повторении цикла вычисляется выражение-условиеи, если значение этого выражения не равно нулю, вы­полняется оператор - тело цикла.

Цикл с постусловием строится по схеме:

do оператор while (выражение-условие)

Выражение-условие вычисляется и проверяется после каж­дого повторения оператора - тела цикла, цикл повторяется, пока условие выполняется. Тело цикла в цикле с постусловием выполняется хотя бы один раз.

Цикл с параметром строится по схеме:

for (k1; k2; k3) оператор

где k1, k2 и k3 - выражения скалярного типа.

Цикл с пара­метром реализуется следующим образом:

1) вычисляется выражение k1, обычно это выражение выпол­няет подготовку к началу цикла;

2) вычисляется выражение k2, и, если оно равно нулю, вы­полняется переход к следующему оператору программы (выход из цикла), если к2 не равно нулю, выполняется шаг 3;

3) выполняется оператор - тело цикла;

4) вычисляется выражение k3 - выполняется подготовка к по­вторению цикла, после чего снова выполняется шаг 2.

Рассмотрим следующий пример. Пусть требуется подсчитать сумму элементов некоторого массива из n элементов. При использо­вании цикла с предусловием это делается так:

int s = 0;

int i = 0;

while (i < n) s += a [i ++];

Эта же задача с применением цикла с постусловием решается следующими операторами:

int s = 0;

int i = 0;

do s += a [i++]; while (i < n);

В данном случае повторениями цикла управляет па­раметр i. Эта задача решается с помощью цикла третьего типа

int i, s;

for (s = 0, i = 0; i < n; i++) s += a [i];

Объявления переменных можно внести в выражение k1 опера­тора forи все записать в виде одного оператора for с пустым телом цикла:

for (int i = 0, s = 0; i < n; s += a[i++]);

Break - оператор для прерывания повторений оператора цикла любого типа в теле цикла.

Continue - оператор для перехода к следующему повторению из любого места тела цикла.

Goto метка - оператор перехода, дополняющий набор операторов для структурного программирования. Метказадает адрес перехода и помечает оператор в составном операторе, которому принадлежит goto. Вход в составной оператор, содержащий объявления данных, не через его начало запрещен.