『C系统级编程』C语言左值与表达式

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表达式

在 C 语言中，由一系列操作符和操作对象组成的一个序列被称之为表达式（Exp）。它们具有如下的分类：

• 基础表达式
  • 标识符（Identifier）：变量名或函数名
  • 常量（Constant）
  • 字符串
  • 括号：也就是说，(Exp) == Exp
  • 泛型选择表达式
    • 在程序设计中，泛型编程（generic programming）指那些没有特定类型，但是一旦指定一种类型，就可以转换成指定类型的代码。C11 新增了泛型选择表达式（generic selection expression），可根据表达式的类型（即表达式的类型是 int、double 还是其他类型）选择一个值。泛型选择表达式不是预处理器指令，但是在一些泛型编程中它常用作 #define 宏定义的一部分。
    • 示例：_Generic(x, int: 0, float: 1, double: 2, default: 3)
• 后缀表达式：给定一个表达式 exp，其与后缀操作符结合构成的仍然是一个表达式
  • exp1[exp2]
  • exp.identifier
  • exp→identifier
  • exp++ / exp–
  • (TypeName){Initializer-list}
    • (int){2}, {int[3]}{1, 2, 3}
  • exp(argument list)
    • func(1, 2)
• 一元表达式：给定一个表达式 exp，其与一元操作符结构构成的仍然是一个表达式
  • ++exp / --exp
  • &exp
  • *exp
  • +exp / -exp
  • ~exp / !exp
  • sieof(exp) / sizeof exp / _Alignof(exp)
• Cast表达式
  • (TypeName)exp
    • (float)a
• 条件表达式：两个表达式 + 条件操作符结构
  • >, ≥, <, ≤, ==, ≠
• 运算表达式：两个表达式 + 运算操作符结构（包括位运算操作符、逻辑运算操作符）
  • +, -, *, /, %
  • <<, >>, &, ^, |
  • &&, ||, exp1 ? exp2 : exp3
• 赋值表达式：两个表达式 + 赋值运算操作符
  • =、*=、/=、%=、+=、-=、<<=、 >>=、&=、^=、|=
• 逗号运算表达式
  • exp1, exp2, …, exp_n
    • 从左至右按将逗号分隔的表达式依次运算，整个表达式返回值和类型是最后一个表达式的返回值和类型

当然，多个表达式也可以组合成新的表达式。做分解的时候，我们总是从基础表达式开始分解。

左值（lvalue）

左值是一个表达式，且这个表达式能够定位一个对象：

（只有这些可以）

因此就像之前讲过的那样，左值并不是 left value 而是 locator value。之所以叫左值是因为大多数情况下它都在等号（赋值语句）左边，但只有 Modifiable lvalue 才能被放到等号左边。Modifiable lvalue 的条件是，如果一个 lvalue 定位到的对象内存满足以下条件：

1. 变量类型不是数组变量类型
2. 变量类型不是不完全类型
3. 没有被 const 修饰
4. 如果该对象类型是 struct / union，则成员的变量类型也没有被 const 修饰

则说明该 lvalue 是一个 Modifiable lvalue，可以放到等号左边。能被放到等号左边的含义是能够被赋值。

观察 lvalue

如果一个左值表达式在赋值表达式的等号左边：

1. 若该左值是 Modifiable 的，则等待赋值；
2. 若该左值是非 Modifiable 的，则编译出错。

其他情况下，lvalue 表达式的观察方法如下：假设该左值定位的对象为 Obj（对应一个内存六元组，下面要用），则：

1. 如果 lvalue 跟 & 结合，则返回值：<Address, Obj_T*>
2. 如果 lvalue 跟 sizeof 结合，则返回值：<Size, size_t>
3. 其他情况，返回值为：<Value, Value_Type>

再谈 *exp 形式

之前在定位内存的部分讲过 * 运算符如何定位内存，这里稍作补充。

• *p 的时候并不知道这块内存的 Name，只要直接定位以该编号开头的内存就好了。
• 只有指针类型的值能用 * 操作符进行间接定位。
• 指针变量 p + n
  • p + n 的 Value = p.value + sizeof(*p)*n
  • p + n 的 Value_Type 不变，还是 p.Value_Type
  • 注意这个 n 可以是数字常量，也可以是一个返回值为合法的整数类型的表达式
• *(exp + n) <==> exp[n]
  • 要求 exp 的返回值类型是有效的指针类型
  • 可见：任何一个返回值为指针的表达式，蕴含着指向的那块内存为一个数组，元素为指针变量类型对应的变量类型，但大小未知
    • 这意味着可能会发生溢出
  • 注意这个 n 可以是数字常量，也可以是一个返回值为合法的整数类型的表达式
  • ⭐ 显然，通过这个规则可以递归地完成数组元素的定位（即将数组元素转换为通过 * 运算符定位内存的过程）
    • 这里放上这节课的课堂小测题，熟练了这条规则之后这些题就很容易了。
  • 趣闻
    • 当 n 为返回值为合法整数类型的表达式时，我们可以将这个形式化定义式子写成 E1[E2] <==> *((E1) + (E2))，我们并不会对 E1、E2 的对应次序做出要求，此时会产生一个很有意思的现象：a[1] <==> 1[a]！这是可以正确通过编译的！
      • 实际操作的时候不要这么写，会被打 O(∩_∩)O
• 两个指针相减
  • 

表达式的值

表达式的值可以形式化定义为： <V, V_T> 。

若观察到表达式为非数组变量类型，那么就可以按照观察 lvalue 的规则得到返回值；

若观察到表达式为数组类型，则返回值是数组第一个元素的首地址，返回值类型是元素变量类型对应的指针类型。