C_C++ 语言中的表达式求值.docx

裘宗燕：C/C++?语言中的表达式求值经常可以在一些讨论组里看到下面的提问：“谁知道下面C语句给n赋什么值？”m?=?1;?n?=?m+++m++;最近有位不相识的朋友发email给我，问为什么在某个C++系统里，下面表达式打印出两个4，而不是4和5：a?=?4;?cout??a++??a;C++?不是规定??操作左结合吗？是C++?书上写错了，还是这个系统的实现有问题？要弄清这些，需要理解的一个问题是：如果程序里某处修改了一个变量（通过赋值、增量/减量操作等），什么时候从该变量能够取到新值？有人可能说，“这算什么问题！我修改了变量，再从这个变量取值，取到的当然是修改后的值！”其实事情并不这么简单。C/C++?语言是“基于表达式的语言”，所有计算（包括赋值）都在表达式里完成。“x?=?1;”就是表达式“x?=?1”后加表示语句结束的分号。要弄清程序的意义，首先要理解表达式的意义，也就是：1）表达式所确定的计算过程；2）它对环境（可以把环境看作当时可用的所有变量）的影响。如果一个表达式（或子表达式）只计算出值而不改变环境，我们就说它是引用透明的，这种表达式早算晚算对其他计算没有影响（不改变计算的环境。当然，它的值可能受到其他计算的影响）。如果一个表达式不仅算出一个值，还修改了环境，就说这个表达式有副作用（因为它多做了额外的事）。a++?就是有副作用的表达式。这些说法也适用于其他语言里的类似问题。现在问题变成：如果C/C++?程序里的某个表达式（部分）有副作用，这种副作用何时才能实际体现到使用中？为使问题更清楚，我们假定程序里有代码片段“...a[i]++?...?a[j]?...”，假定当时i与j的值恰好相等（a[i]?和a[j]?正好引用同一数组元素）；假定a[i]++?确实在a[j]?之前计算；再假定其间没有其他修改a[i]?的动作。在这些假定下，a[i]++?对?a[i]?的修改能反映到?a[j]?的求值中吗？注意：由于?i?与?j?相等的问题无法静态判定，在目标代码里，这两个数组元素访问（对内存的访问）必然通过两段独立代码完成。现代计算机的计算都在寄存器里做，问题现在变成：在取?a[j]?值的代码执行之前，a[i]?更新的值是否已经被（从寄存器）保存到内存？如果了解语言在这方面的规定，这个问题的答案就清楚了。程序语言通常都规定了执行中变量修改的最晚实现时刻（称为顺序点、序点或执行点）。程序执行中存在一系列顺序点（时刻），语言保证一旦执行到达一个顺序点，在此之前发生的所有修改（副作用）都必须实现（必须反应到随后对同一存储位置的访问中），在此之后的所有修改都还没有发生。在顺序点之间则没有任何保证。对C/C++?语言这类允许表达式有副作用的语言，顺序点的概念特别重要。现在上面问题的回答已经很清楚了：如果在a[i]++?和a[j]?之间存在一个顺序点，那么就能保证a[j]?将取得修改之后的值；否则就不能保证。C/C++语言定义（语言的参考手册）明确定义了顺序点的概念。顺序点位于：1.?每个完整表达式结束时。完整表达式包括变量初始化表达式，表达式语句，return语句的表达式，以及条件、循环和switch语句的控制表达式（for头部有三个控制表达式）；2.?运算符?、||、?:?和逗号运算符的第一个运算对象计算之后；3.?函数调用中对所有实际参数和函数名表达式（需要调用的函数也可能通过表达式描述）的求值完成之后（进入函数体之前）。假设时刻ti和ti+1是前后相继的两个顺序点，到了ti+1，任何C/C++?系统（VC、BC等都是C/C++系统）都必须实现ti之后发生的所有副作用。当然它们也可以不等到时刻ti+1，完全可以选择在时段?[t,?ti+1]?之间的任何时刻实现在此期间出现的副作用，因为C/C++?语言允许这些选择。前面讨论中假定了a[i]++?在a[i]?之前做。在一个程序片段里a[i]++?究竟是否先做，还与它所在的表达式确定的计算过程有关。我们都熟悉C/C++?语言有关优先级、结合性和括号的规定，而出现多个运算对象时的计算顺序却常常被人们忽略。看下面例子：(a?+?b)?*?(c?+?d)?fun(a++,?b,?a+5)这里“*”的两个运算对象中哪个先算？fun及其三个参数按什么顺序计算？对第一个表达式，采用任何计算顺序都没关系，因为其中的子表达式都是引用透明的。第二个例子里的实参表达式出现了副作用，计算顺序就非常重要了。少数语言明确规定了运算对象的计算顺序（Java规定从左到右），C/C++?则有意不予规定，既没有规定大多数二元运算的两个对象的计算顺序（除了、||?和?，），也没有规定函数参数和被调函数的计算顺序。在计算第二个表达式时，首先按照某种顺序算fun、a++、b和a+5，之后是顺序点，而后进入函数执行。不