熊志斌

（海南熱帶海洋學(xué)院藝術(shù)與創(chuàng)意學(xué)院，三亞572022）

0 引言

C語言是一門優(yōu)秀的程序設(shè)計語言，以功能強(qiáng)大、語法靈活、易移植等特點而著稱。自上世紀(jì)70年代以來，C語言一直是最受歡迎的編程語言之一，廣泛用于系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)。我國高校計算機(jī)專業(yè)把C語言作為編程入門課程，許多工科專業(yè)也把C語言作為必修課或選修課，因此提高C語言教學(xué)質(zhì)量，具有重要的意義。筆者發(fā)現(xiàn)在一些教材、教改論文中把一些錯誤表達(dá)式當(dāng)成正確的代碼來分析、講解，如下面類似的錯誤表達(dá)式，在許多教材、教改論文分析、討論，也出現(xiàn)在等級考試、企業(yè)招聘試題中：

其實，這些表達(dá)式都是錯誤的，會導(dǎo)致未定義行為（Undefined Behavior），C標(biāo)準(zhǔn)對未定義行為的解釋是，使用不可移植的或錯誤的程序結(jié)構(gòu)，以及使用錯誤數(shù)據(jù)的行為，而標(biāo)準(zhǔn)對這種行為沒有強(qiáng)制性的要求[1-2]。C標(biāo)準(zhǔn)定義了很多未定義行為，表達(dá)式導(dǎo)致的未定義行為只是其中之一。C標(biāo)準(zhǔn)不要求編譯器負(fù)責(zé)診斷這種未定義行為，因此，一些未定義行為在編譯時能通過，程序也可以正確執(zhí)行。正是在某些平臺能編譯執(zhí)行這些錯誤代碼，才使得它們被當(dāng)成正確的代碼被分析、被討論、被考試。但并不能保證這些代碼在不同編譯器中都能通過，也不能保證在不同平臺都可以正確執(zhí)行。

把這些錯誤的表達(dá)式當(dāng)成正確的代碼分析、講授，即不能使學(xué)生掌握正確的C語法知識，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的優(yōu)良編程風(fēng)格。本文試圖從C標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，正本溯源，去蕪存菁，通過介紹序列點和副作用，澄清“表達(dá)式求值按運算符優(yōu)先級順序從左到右計算，同級運算符按結(jié)合性方向計算”的模糊認(rèn)識，剖析導(dǎo)致未定義行為的表達(dá)式的錯誤根源，以供C語言教學(xué)時參考。

1 相關(guān)的重要概念

與運算符及表達(dá)式相關(guān)的重要概念，除教材上介紹的運算符優(yōu)先級和結(jié)合性外，C標(biāo)準(zhǔn)定義的副作用（Side Effects）和序列點（Sequence Point）也是不可或缺的兩個概念。教材出于內(nèi)容簡單明了，易于學(xué)習(xí)的考慮，盡量回避復(fù)雜的概念，因此教材在介紹運算符及表達(dá)式相關(guān)知識時，基本回避了副作用和序列點，國內(nèi)外的經(jīng)典教材都是如此[3-4]。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，在講授運算符及表達(dá)式時，引入上述兩個概念是大有裨益的，能幫助學(xué)生正確地理解運算符及表達(dá)式的知識。

1.1 副作用

C標(biāo)準(zhǔn)對副作用的定義是，訪問易變（Volatile）型變量、修改變量、修改文件、以及調(diào)用執(zhí)行前述操作的函數(shù)都是副作用[2]。副作用可以簡單理解成，作為表達(dá)式求值過程中的副產(chǎn)品，某些變量的值發(fā)生了修改[5]。例如表達(dá)式：

表達(dá)式（1）是一個算術(shù)表達(dá)式，在計算表達(dá)式a+b的值時，變量b的值也會發(fā)生修改，修改變量的值就是副作用。表達(dá)式（2）是一個賦值表達(dá)式，表達(dá)式的值為5，變量a的值被修改成5，也是發(fā)生副作用。副作用并非是不受歡迎的副產(chǎn)品，而是修改變量值的一個手段。

1.2 序列點

序列點是程序執(zhí)行中的一個點，在這個點之前，前面的表達(dá)式的求值和副作用已經(jīng)完成，而后面表達(dá)式的求值和副作用還沒有發(fā)生[2]。C標(biāo)準(zhǔn)定義以下序列點[2]：

（1）運算符&&；運算符||；逗號運算符,；條件運算符?:的第一個子表達(dá)式求值結(jié)束后；

（2）函數(shù)調(diào)用運算符（）中對所有實參數(shù)完成求值之后；

（3）每個完整表達(dá)式結(jié)束時。完整表達(dá)式包括變量初始化表達(dá)式，表達(dá)式語句的表達(dá)式，return語句的表達(dá)式，if或switch語句中的控制表達(dá)式，while或do語句的控制表達(dá)式，for語句的所有三個表達(dá)式；

（4）標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)返回之前，標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出函數(shù)格式化轉(zhuǎn)換說明符關(guān)聯(lián)動作之后，標(biāo)準(zhǔn)查找函數(shù)和排序函數(shù)在調(diào)用比較函數(shù)之前和之后及參數(shù)傳遞之后.

由序列點的定義可知，與運算符&&；或運算符||；逗號運算符,；條件運算符?:等4個運算符的左操作數(shù)屬于前一個序列點，右操作數(shù)屬于后一個序列點，因此，這4個運算符的左操作數(shù)的求值要先于右操作數(shù)完成，本文第2節(jié)詳細(xì)分析這4個運算符。每個表達(dá)式語句后存在一個序列點，體現(xiàn)在程序里就是語句后的分號“;”是一個序列點。

2 深入理解操作數(shù)的求值順序

2.1 求值順序的不確定性

C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在兩個序列點之間，運算符的子表達(dá)式（操作數(shù)）的求值順序和副作用的發(fā)生順序，屬于未規(guī)定行為[2]。

C標(biāo)準(zhǔn)對未規(guī)定行為的定義是，標(biāo)準(zhǔn)提供了兩種及以上的可能性，但在具體實現(xiàn)中并未強(qiáng)制選擇哪種可能性[2]。C標(biāo)準(zhǔn)定義了很多未規(guī)定行為，對未規(guī)定行為采取何種可能的方式實現(xiàn)，取決于編譯器。未規(guī)定行為和未定義行為有本質(zhì)區(qū)別的，未定義行為是一種嚴(yán)重的程序錯誤，而未規(guī)定行為是C標(biāo)準(zhǔn)有意為之，目的是給編譯器提供優(yōu)化空間，以便提高C程序的效率。根據(jù)序列點的定義可知，除與運算符&&；或運算符||；逗號運算符,；條件運算符?:之外，其他雙目運算符，左右操作數(shù)的求值順序是不確定的，發(fā)生副作用的順序也是不確定的；在函數(shù)調(diào)用運算符（）構(gòu)成的表達(dá)式里，函數(shù)名和各實參的求值順序和副作用發(fā)生的順序也是不確定的。

2.2 存在序列點的表達(dá)式

與運算符&&；或運算符||；逗號運算符,；條件運算符?:；函數(shù)調(diào)用運算符（）等5個運算符和操作數(shù)構(gòu)成的表達(dá)式中存在序列點，者決定了它們的運算性質(zhì)與其他運算符不同。

（1）邏輯與運算符及表達(dá)式

邏輯與運算符&&和操作數(shù)構(gòu)成邏輯與表達(dá)式，一般形式為：

表達(dá)式1&&表達(dá)式2

邏輯與表達(dá)式的求值規(guī)則是：表達(dá)式1在&&左側(cè)，屬于前一個序列點，因此首先計算表達(dá)式1的值，如果表達(dá)式1的值為0，則提前終止表達(dá)式2的計算（邏輯與的短路計算性質(zhì)），只有當(dāng)表達(dá)式1的值為1時，才開始計算表達(dá)式2的值。例如：

（a+1）&&（--b>1）

當(dāng)a的值為-1，b的值為2時，雖然表達(dá)式中自減運算符的優(yōu)先級最高，但（a+1）在&&左側(cè)，屬于前一個序列點，因此首先計算（a+1）的值為0，可以判斷整個邏輯表達(dá)式的值為0，表達(dá)式--b>1的值來不及計算就被終止了，變量b的值保持不變。

（2）邏輯或運算符及表達(dá)式

邏輯或運算符||和操作數(shù)構(gòu)成邏輯或表達(dá)式，一般形式為：

表達(dá)式1||表達(dá)式2

邏輯或表達(dá)式的求值規(guī)則是：表達(dá)式1在||左側(cè)，屬于前一個序列點，因此首先計算表達(dá)式1的值，如果表達(dá)式1的值為1，則提前終止表達(dá)式2的計算（邏輯或的短路計算性質(zhì)），只有當(dāng)表達(dá)式1的值為0時，才開始計算表達(dá)式2的值。例如：

（a>b）||（++b>1）

當(dāng)變量a為2，變量b為1時，首先求a>b的值為1，則整個邏輯表達(dá)式的值為1，表達(dá)式++b>1來不及計算就被終止，變量b的值保持不變。

（3）條件運算符及表達(dá)式

條件運算符?:需要3個操作數(shù)構(gòu)成條件表達(dá)式，一般構(gòu)成形式：

表達(dá)式1?表達(dá)式2:表達(dá)式3

條件表達(dá)式的求值規(guī)則是：表達(dá)式1位于?號前，屬于前一個序列點，首先計算表達(dá)式1的值，若表達(dá)式1的值為真，則條件表達(dá)式的值取表達(dá)式2的值，表達(dá)式3不被執(zhí)行；否則，條件表達(dá)式的值取表達(dá)式3的值，而表達(dá)式2不被執(zhí)行。表達(dá)式2和表達(dá)式3只能執(zhí)行其中的一個。例如：

i>j?2*k:++m

當(dāng)i為2，j為1，k為3，m為4時，雖然乘法運算符和自增運算符的優(yōu)先級都高于大于運算符，但表達(dá)式i>j屬于前一個序列點，因此首先求得表達(dá)式i>j的值為1，再執(zhí)行表達(dá)式2*k，不執(zhí)行表達(dá)式++m。所以條件表達(dá)式的值為6，m的值保持不變。

（4）逗號運算符及表達(dá)式

逗號作運算符需要兩個操作數(shù)構(gòu)成逗號表達(dá)式，一般形式為：

表達(dá)式1,表達(dá)式2

逗號表達(dá)式求值規(guī)則是：表達(dá)式1位于逗號運算符之前，屬于前一個序列點，先求解表達(dá)式1，再求解表達(dá)式2，表達(dá)式2的值是整個逗號表達(dá)式的值。例如：

i=25+5,i*6

雖然表達(dá)式中乘法運算符*的優(yōu)先級最高，但i=25+5位于逗號運算符之前，屬于前一個序列點，因此先計算賦值表達(dá)式i=25+5，得到i的值為30，然后計算i*6，得180，整個逗號表達(dá)式的值為180。

（5）函數(shù)調(diào)用運算符（）

函數(shù)調(diào)用運算符的一般形式為：f（參數(shù)1,參數(shù)2,參數(shù)3）。對于函數(shù)調(diào)用運算符有兩點需要注意：一是參數(shù)之間的逗號，不是逗號運算符，是分隔符；二是函數(shù)名、各參數(shù)的求值順序是未規(guī)定行為，取決于編譯器的實現(xiàn)。有些參考書籍上說函數(shù)的各參數(shù)的求值順序是從左到右求值，這是不正確的，C標(biāo)準(zhǔn)本身沒有規(guī)定實參的求值順序。

2.3 序列點的好處

認(rèn)真分析表達(dá)式的構(gòu)成，充分利用表達(dá)式中序列點前表達(dá)式先計算的特性，可以寫出簡潔高效，風(fēng)格優(yōu)雅的C程序代碼。如程序需要從鍵盤讀取數(shù)字，直到用戶輸入0時為止，則可以寫成如下風(fēng)格的代碼：

寫邏輯與表達(dá)式時，把最基本的條件放在第一個表達(dá)式，首先被執(zhí)行，如果值為假，后面就不用計算。如防止除0運算：

a!=0&&b/a>5

這樣就可以避免當(dāng)a值為0時，導(dǎo)致除0的異常。再如防止數(shù)組越界

i0

寫邏輯或表達(dá)式時，可以讓某些運算首先執(zhí)行，增加程序的效率。如閏年的滿足條件是：能被4整除而不能被100整除，或者能被400整除?？捎眠壿嫳磉_(dá)式來表示：

表達(dá)式（3）的執(zhí)行效率比表達(dá)式（4）執(zhí)行效率高。

3 表達(dá)式的求值過程

在計算表達(dá)式的值時，先根據(jù)運算符的優(yōu)先級和結(jié)合性地解析表達(dá)式，無論多復(fù)雜的一個表達(dá)式，經(jīng)過優(yōu)先級和結(jié)合性對表達(dá)式進(jìn)行解析后，最終都可以解析成某個基本運算符表達(dá)式結(jié)構(gòu)（如屬于賦值表達(dá)式、條件表達(dá)式）。判斷依據(jù)就是表達(dá)式中最外層執(zhí)行的運算符。解析過程中，從左到右利用運算符的優(yōu)先級構(gòu)成子表達(dá)式，同級運算符用結(jié)合性構(gòu)成子表達(dá)式。

表達(dá)式（5）等價于（x>y）?++y:（（++y>2）?y:100），所以表達(dá)式（5）是一個條件表達(dá)式。

解析成基本運算符表達(dá)式結(jié)構(gòu)后，考察基本運算符是否構(gòu)成序列點，按序列點的前后順序計算子表達(dá)式。C語言中只有與運算符&&；或運算符||；逗號運算符,；條件運算符?:；函數(shù)調(diào)用運算符（）等5個基本運算符構(gòu)成的表達(dá)式中存在序列點，因此這些表達(dá)式求值，總是先執(zhí)行序列點之前的子表達(dá)式，然后執(zhí)行序列點之后的子表達(dá)式。其他基本運算符構(gòu)成的表達(dá)式不存在序列點，子表達(dá)式求值順序和副作用發(fā)生順序則是不確定的。

表達(dá)式（5）中，條件運算符雖然是右結(jié)合性，但并不是先計算子表達(dá)式（（++y>2）?y:100），而是先計算屬于前一個序列點的子表達(dá)式（x>y）。當(dāng)x值為1，y值為1時，條件表達(dá)式的值為100；當(dāng)x值為2，y值為1時，表達(dá)式的值為2。

4 導(dǎo)致未定義行為的表達(dá)式

C標(biāo)準(zhǔn)定義了很多未定義行為，對于表達(dá)式而言，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，兩個序列點之間，一個變量被多次修改，或被修改一次同時發(fā)生了不是為了存儲而讀取變量的操作，會導(dǎo)致未定義行為[2]。

（1）變量被修改多次

上面兩個表達(dá)式的變量都發(fā)生多次修改，因此是未定義行為。變量修改的時間點是不確定的，這種不確定導(dǎo)致表達(dá)式結(jié)果不確定。

（2）變量被修改一次同時發(fā)生非存儲性的讀取操作

如表達(dá)式：

x++*y+x/2

表達(dá)式中變量x被修改了一次，同時變量x被讀取參與子表達(dá)式x/2的求值，因此是未定義行為。x++自增運算符的副作用在何時發(fā)生，是不確定的，這種不確定影響子表達(dá)式x/2的求值不確定，導(dǎo)致表達(dá)式結(jié)果不確定。

又如表達(dá)式：

printf（"%d %d",a++,a+5）

在函數(shù)實參求值完成時是一個序列點，但在此序列點前，實參的求值的順序是不確定的，第二個參數(shù)a++和第三個參數(shù)a+5求值順序不一樣，傳入的實參是不一樣的，顯示的結(jié)果不確定，表達(dá)式導(dǎo)致未定義行為。

又如表達(dá)式：

a[i]=i++

變量i發(fā)生一次修改，同時i被讀取參與a[i]求值，因此是未定義行為。對于賦值運算符兩端的操作數(shù)，是先計算a[i]還是先計算i++，是不確定的，當(dāng)先計算i++時，如果i++的副作用在計算a[i]之前生效，則變成給a[i+1]賦值。

本質(zhì)上說，表達(dá)式導(dǎo)致未定義行為是由于副作用使得子表達(dá)式之間存在計算順序上的依賴關(guān)系，而副作用的發(fā)生順序和子表達(dá)式的計算順序是不確定的，導(dǎo)致表達(dá)式的結(jié)果也不確定。因此，對導(dǎo)致未定義行為的表達(dá)式，只需增加臨時變量和語句來破解這種計算順序上的依賴關(guān)系就行了。如：

a[i]=i++;

可以寫成兩條語句

a[i]=i;i++;

5 結(jié)語

通過介紹C標(biāo)準(zhǔn)中的序列點和副作用兩個概念，以及兩個序列點之間子表達(dá)式求值順序和副作用發(fā)生順序的不確定性的規(guī)定后，學(xué)生就不會產(chǎn)生“表達(dá)式求值是按運算符優(yōu)先級從左到右計算，同優(yōu)先級運算符按結(jié)合性方向計算”的似是而非的認(rèn)識，也很容易判斷出表達(dá)式是否會導(dǎo)致未定義行為，避免模仿別人寫出錯誤的表達(dá)式。其實，在C89標(biāo)準(zhǔn)中就有副作用和序列點的概念介紹，但國內(nèi)外教材基本在回避這兩個概念，國內(nèi)教材甚至以訛傳訛，把錯誤的表達(dá)式當(dāng)正確的代碼分析講授。這說明在C語言教學(xué)活動中，教師應(yīng)該勤查權(quán)威的C標(biāo)準(zhǔn)，深入理解C之精髓，提高甄別錯誤、駕馭教材的能力，去蕪存菁，向?qū)W生傳授正確的知識。