C筆記-左值與右值

目錄

• 前言:工欲善其事,必先利其器
  • 兩種資料
  • 參考資料及其使用說明
• 官方對於左值和右值的定義
  • 實際使用時的疑問
• 左值的涵蓋範圍
• 重要概念: 左值轉化(lvalue conversion)
• 左值與指標
  • 概念上的區別
  • 左值與指標值的互相轉化
  • 指標值的構成
    • 補充知識:儲存單元的地址編排
    • 指標值的構成
    • 陣列名與陣列下標運算
• 運算子歸納表格及例項說明
  • 各種運算子運算結果左右值型別總結表
  • 例項分析

前言:工欲善其事,必先利其器

兩種資料

學習程式語言, 有兩類資料可以讓人"高潮".

​ 一類是針對初學者而設計的入門類書籍, 這種書總是適時地結合生動的生活例項, 來讓啥都不懂的萌新理解一些基本的和關鍵的東西, 達到撥雲見日的效果. 為將來的進一步學習培養出良好的興趣和打下堅實的基礎. 最具代表性的就是 headfirst 系列叢書.

​ 而另一類資料, 便是標準文獻了. 它就像博學的導師或者修仙小說裡的隨身老爺爺, 能夠完美地解答你的任何疑惑(就算有解答不了的問題, 那也是暫時的, 因為標準文獻本身也是不斷改進和迭代的).

​ 這邊作者假設讀者都有一定的C基礎,不是啥都不懂的萌新, 但是對於左值和右值的概念仍存有疑惑的朋友, 另外作者水平有限, 如有錯誤和瑕疵, 歡迎各位朋友指正.

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參考資料及其使用說明

參考資料

​ 本文的參考資料是C11標準文獻草案(N1570), 是免費且幾乎等同於C11標準文獻的版本.

• 外網版C11標準文獻資料(需翻牆)

  html版

  pdf版

• 筆者提供的國內版(筆者自建站)

  html版

• 筆者所提供的本地下載(7z壓縮包, 內含pdf與html版)

  本地下載

本文的連結及資料使用說明

• 本文連結說明

  本文的連結部分,均是國內html版的連結

• 本地下載的資料說明

  • c11標準文獻不僅每一個章節都有編號, 且每一個自然段都有編號,方便定位

  • c11標準的html版: 可以用錨點直接定位到對應章節, 自然段 以及 註解

    • 錨點: 形如 #6.3.1.2p3 的東西, 出現在網址欄的最後, 用於定位到網頁中的位置(滾輪會自動滾到對應內容處)

    • c11標準html版的錨點構成說明:

      示例1: #6.3.1.2p3

      • 6.3.1.2是具體的章節編號: 第6章第3部分1小節第2節
      • p3是對應的自然段編號: p3代表第3自然段

      示例2: #note99

      • note99是對應的註解編號: note99代表第99個註解

    • 應用說明:

      • 檢視國內版c11標準的第3章第2部分7小節第4自然段,可以直接輸入以下網址: peterzhang.cool:3000/pdfs/c11.html#3.2.7p4,然後回車
      • 檢視本地下載的c11的html版本也可以開啟c11.html之後,在網址後面加上#3.2.7p4,然後按回車即可

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官方對於左值和右值的定義

​ 可見, 左值右值的概念來自賦值表示式, =號左邊的為左值(可修改的左值), 它代表(定位)了一個可用於存放資料的儲存空間; 而右值通常被理解為 "表示式的值"(value of an expression).

實際使用時的疑問

​ 那麼到底哪些是左值, 哪些又屬於右值? 什麼情況下屬於左值, 什麼情況下屬於右值呢?

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左值的涵蓋範圍

• 變數名

• 指標變數

• 一些運算子的運算結果:

  • * -- 取內容運算子
  • [] -- 陣列下標運算子
  • (type-name){initialize-list} -- 複合字面量
  • . (只有左運算元為左值時,結果才為左值)
  • ->(無論左運算元為左值還是右值,結果均為左值)

  舉例說明:

  • a是陣列名,絕大部分情況下屬於指標值(見後續部分),是右值
  • a[1]屬於運算子[]的結果, 屬於左值, 可以放在等號左邊進行賦值操作.

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重要概念: 左值轉化(lvalue conversion)

#6.3.2.1p2: 滿足以下條件的左值會被轉化成對應的儲存空間(資料物件)中所儲存的值,並且不再是一個左值, 這一過程被稱為 左值轉化

• 不是 sizeof, _Alignof, &, ++, -- 運算子的運算元

• 不是 . 或 賦值運算子的左運算元

• 該左值不是陣列型別(陣列型別的左值按其他規定進行轉化)

  • 一維陣列: 不是陣列名,但可以是陣列元素

  • 多維陣列: 不是任意N維(N>1)的陣列名或陣列元素,但可以是一維的陣列元素

    (也就是說: 二維陣列arr[][]中, arr[1]仍舊代表一個陣列, 等同於一個陣列名,不滿足左值不是陣列型別的條件)

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左值與指標

概念上的區別

• 左值: 可以放在賦值號的左邊, 與一個儲存單元(資料物件)對應, 代表了可直接獲取和設定該單元內容的途徑. (左值就像是一個已經撥通且未結束通話的電話)
• 指標值: 某一資料的儲存位置的資訊. (指標值就像是一個電話號碼)

通過左值, 你可以通過它直接獲取和設定儲存單元(資料物件)中的內容, 就像你可以直接問已撥通電話的另一頭問題或告訴另一頭一些資訊; 而指標值, 就像一個電話號碼, 想要像左值那樣獲取或設定內容, 必須先要 "按照號碼撥打電話", 這一步驟通常由取內容運算子 * 完成. 如果我們用另一個變數儲存這個 "電話號碼", 這個變數就成了 "指標變數".

注意: 指標變數是一個變數, 它是左值, 而指標值並不是左值.

舉例: (我們把其他人當作是一個儲存空間,而你扮演主程式)

你正在跟小張通電話 -- 左值 <==> int a;

你手裡有小張的電話號碼 -- 指標值 <==> &a;

你通過給小劉打電話,獲取了小張的電話號碼,然後再給小張打電話告訴他一些事 -- 利用指標變數 <==> int *p = &a; *(p) = 314;

左值與指標值的互相轉化

我們宣告的變數名是一類天然的左值, 它就像是我們和朋友直接面對面說話(或者一通已打通的電話); 而有時候,我們需要交談的物件並不在我們身邊, 這時候就需要我們自己去撥打電話.

• 將指標值轉化為對應的左值: 取內容運算子*
• 獲取某一左值的指標值: 取地址運算子&

指標值的構成

補充知識:儲存單元的地址編排

• 地址編號是基於位元組的: 一個位元組對應一個地址編號, 地址值(指標值)只能指向單個位元組

• 除了char外,C中的資料型別是多位元組

• 讀取多位元組資料的策略:

  • 地址值(指標值)指向儲存單元的第一個位元組

  • 定義一個取值範圍, 說明取得資料的長度

    

指標值的構成

• 指標值/地址值: 指向儲存空間的起始位元組
  • 指標值的型別是無符號的多位元組數值
  • 指標的型別並不影響指標值的sizeof大小
• 指標指向的型別: 規定利用指標一次讀取/設定位元組的範圍
  • 一次讀取或設定: 同時操作包含起始位元組在內的N個位元組(N由指標指向的型別確定)
  • 指標變數增加或減少1: 地址值/指標指增加或減少N

圖示:

測試程式碼: test.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    short int test = 314;
    int *pInt = &test;
    float *pFloat;
    double *pDouble;
    long double *pLongDouble;

    printf("The sizeof short int is %d\n",sizeof(short int)); //2

    //指標(地址)是一個獨立的資料儲存型別,類似於int,double等,佔用的記憶體大小相同
    printf("The sizeof pInt is %d\n",sizeof(pInt)); //4
    printf("The sizeof pFloat is %d\n",sizeof(pFloat)); //4
    printf("The sizeof pDouble is %d\n",sizeof(pDouble)); //4
    printf("The sizeof pLongDouble is %d\n",sizeof(pLongDouble)); //4

    //指標指向的型別確定讀取的位元組範圍
    printf("The address of test is %p\n",pInt);
    printf("Input the address above and use it without a type bounded:\n");
    unsigned long long p;
    scanf("%x",&p); //手動輸入上面列印的地址值
    printf("The value of p is %lx\n",p);
    printf("The value of *(short int *)p is %d\n",*(short int *)p); //314(10)
    printf("The value of *(char *)p is %d\n",*(char *)p); //只讀取後8位,所以是58(10)

    //指標變數+1,指標值/地址值的變化?
    short int *pTest = &test;
    printf("The address of test is %p\n",pTest);
    pTest++;
    printf("The address of test now is %p\n",pTest);

    getchar();
    return 0;
}

控制檯輸出:

陣列名與陣列下標運算

#6.3.2.1p3: 滿足下列條件的陣列型別值(通常是陣列名)會被轉換為一個指向該陣列首個元素的首個位元組的指標值(注意,不是指標變數而是指標值):

• 陣列名不是sizeof或&的運算元
• 不是用來初始化一個陣列的陣列字面量

因此:

• 陣列名本身是屬於左值的, 但是這並沒有什麼卵用

• 因為絕大多數情況下(包括位於賦值號左邊的時候),陣列名會被轉換為指標值(不再是左值)

• 陣列名經過下標[]運算或*運算子卻會變成左值,代表陣列內某一元素,可以用於賦值

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運算子歸納表格及例項說明

各種運算子運算結果左右值型別總結表

例項分析

• 複合字面量(compound literial)

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  
  int main(void)
  {
      int p = ((int){314})++; //works just fine
      printf("p is %d\n",p); //314
  
  	//int *p = ((int [2]){314,110})++; //error: lvalue required as increment operand
  
      getchar();
      return 0;
  }
  

  分析:

  • int p = ((int){314})++;

    複合字面量(int){314}生成一個未命名的左值(其值為314)

    對該左值應用字尾形式的++運算子,生成一個右值(314)

    將該右值賦值給變數p

  • int *p = ((int [2]){314,110})++; //報錯語句

    複合字面量(int [2]){314,110}生成一個未命名的陣列左值

    陣列左值經過轉化,變成指向該陣列第一個元素的指標值(右值)

    對該指標值應用字尾++運算子報錯(++運算子的運算元必須是左值)

• 結構體相關運算子(*與->)

  結構體運算子 . :

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  
  //宣告結構體s
  struct s { double i; };
  
  //宣告聯合體g
  union {
      struct {
          int f1;
          struct s f2;
      } u1;
      struct {
          struct s f3;
          int f4;
      } u2;
  } g;
  
  struct s f(void){ //返回結構體s的函式
      return g.u1.f2; //返回g.u1.f2
  }
  
  int main(void)
  {
      //測試: 結構體變數
      struct s varible = {3.1415};
      varible.i++;
      printf("varible.i.i is %f\n",varible.i); //4.1415
  
      //測試: 結構體返回值函式
      struct s f(void);
      //f().i = 20.0; //error: lvalue required as left operand of assignment
  
      getchar();
      return 0;
  }
  

  分析:

  • varible.i++;語句工作正常: 說明其執行結果為左值
  • f().i = 20.0;語句報錯: 說明f().i不是左值
    • 函式呼叫的返回值是右值(儘管它返回的是檔案域的聯合體變數的成員的內容)
    • 右值.i,根據C11標準的規定,其執行結果也是右值,因此報錯

  結構體指標運算子->:

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  
  struct s { double i; };
  union {
      struct {
          int f1;
          struct s f2;
      } u1;
      struct {
          struct s f3;
          int f4;
      } u2;
  } g;
  
  struct s * f(void){ //返回結構體指標的函式
      return &(g.u1.f2);
  }
  
  int main(void)
  {
      //測試: 結構體指標返回值函式
      struct s * f(void);
      f()->i = 20.0;//結構體指標指向的成員是左值
      printf("return value is: %f\n", f()->i);
      struct s newS = {3.14};
      *(f()) = newS; //函式返回的結構體指標也是右值,用*之後才變為左值
      printf("Now,value is: %f\n", f()->i);
  
      getchar();
      return 0;
  }