作者：裘宗燕??? 北京大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院信息科學(xué)系??? 本文基本內(nèi)容發(fā)表于《編程高手》雜志 2004 年第 12 期

經(jīng)常可以在一些討論組里看到下面的提問：“誰知道下面 C 語句給 n 賦什么值？”
? m = 1; n = m+++m++;
最近有位不相識(shí)的朋友發(fā) email 給我，問為什么在某個(gè) C++系統(tǒng)里，下面表達(dá)式打印出兩個(gè)4，而不是 4 和 5：
? a = 4; cout << a++ << a;
C++? 不是規(guī)定 <<? 操作左結(jié)合嗎？是 C++? 書上寫錯(cuò)了，還是這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有問題？?要弄清這些，需要理解的一個(gè)問題是：如果程序里某處修改了一個(gè)變量（通過賦值、增量/減量操作等），什么時(shí)候從該變量能夠取到新值？有人可能說，“這算什么問題！我修改了變量，再?gòu)倪@個(gè)變量取值，取到的當(dāng)然是修改后的值！”其實(shí)事情并不這么簡(jiǎn)單。

C/C++? 語言是“基于表達(dá)式的語言”，所有計(jì)算（包括賦值）都在表達(dá)式里完成。“x = 1;”就是表達(dá)式“x = 1”后加表示語句結(jié)束的分號(hào)。要弄清程序的意義，首先要理解表達(dá)式的意義，也就是：1）表達(dá)式所確定的計(jì)算過程；2）它對(duì)環(huán)境（可以把環(huán)境看作當(dāng)時(shí)可用的所有變量）的影響。如果一個(gè)表達(dá)式（或子表達(dá)式）只計(jì)算出值而不改變環(huán)境，我們就說它是引用透明的，這種表達(dá)式早算晚算對(duì)其他計(jì)算沒有影響（不改變計(jì)算的環(huán)境。當(dāng)然，它的值可能受到其他計(jì)算的影響）。如果一個(gè)表達(dá)式不僅算出一個(gè)值，還修改了環(huán)境，就說這個(gè)表達(dá)式有副作用（因?yàn)樗嘧隽祟~外的事）。a++? 就是有副作用的表達(dá)式。這些說法也適用于其他語言里的類似問題。
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現(xiàn)在問題變成：如果 C/C++? 程序里的某個(gè)表達(dá)式（部分）有副作用，這種副作用何時(shí)才能實(shí)際體現(xiàn)到使用中？為使問題更清楚，我們假定程序里有代碼片段“...a[i]++ ... a[j] ...”，假定當(dāng)時(shí) i與 j 的值恰好相等（a[i] 和 a[j]? 正好引用同一數(shù)組元素） ；假定 a[i]++? 確實(shí)在 a[j] 之前計(jì)算；再假定其間沒有其他修改 a[i]? 的動(dòng)作。在這些假定下，a[i]++? 對(duì) a[i] 的修改能反映到 a[j] 的求值中嗎？注意：由于 i? 與 j? 相等的問題無法靜態(tài)判定，在目標(biāo)代碼里，這兩個(gè)數(shù)組元素訪問（對(duì)內(nèi)存的訪問）必然通過兩段獨(dú)立代碼完成。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的計(jì)算都在寄存器里做，問題現(xiàn)在變成：在取 a[j]? 值的代碼執(zhí)行之前，a[i]? 更新的值是否已經(jīng)被（從寄存器）保存到內(nèi)存？如果了解語言在這方面的規(guī)定，這個(gè)問題的答案就清楚了。

程序語言通常都規(guī)定了執(zhí)行中變量修改的最晚實(shí)現(xiàn)時(shí)刻（稱為順序點(diǎn)、序點(diǎn)或執(zhí)行點(diǎn)）。程序執(zhí)行中存在一系列順序點(diǎn)（時(shí)刻），語言保證一旦執(zhí)行到達(dá)一個(gè)順序點(diǎn)，在此之前發(fā)生的所有修改（副作用）都必須實(shí)現(xiàn)（必須反應(yīng)到隨后對(duì)同一存儲(chǔ)位置的訪問中） ，在此之后的所有修改都還沒有發(fā)生。在順序點(diǎn)之間則沒有任何保證。對(duì) C/C++ 語言這類允許表達(dá)式有副作用的語言，順序點(diǎn)的概念特別重要。
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現(xiàn)在上面問題的回答已經(jīng)很清楚了：如果在 a[i]++? 和 a[j]? 之間存在一個(gè)順序點(diǎn)，那么就能保證 a[j]? 將取得修改之后的值；否則就不能保證。

C/C++語言定義（語言的參考手冊(cè)）明確定義了順序點(diǎn)的概念。順序點(diǎn)位于：

1.? 每個(gè)完整表達(dá)式結(jié)束時(shí)。完整表達(dá)式包括變量初始化表達(dá)式，表達(dá)式語句，return 語句的表達(dá)式，以及條件、循環(huán)和 switch 語句的控制表達(dá)式（for 頭部有三個(gè)控制表達(dá)式）；?
2.? 運(yùn)算符 &&、||、?:? 和逗號(hào)運(yùn)算符的第一個(gè)運(yùn)算對(duì)象計(jì)算之后；
3.? 函數(shù)調(diào)用中對(duì)所有實(shí)際參數(shù)和函數(shù)名表達(dá)式（需要調(diào)用的函數(shù)也可能通過表達(dá)式描述）的求值完成之后（進(jìn)入函數(shù)體之前）。
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假設(shè)時(shí)刻t_i和t_i+1是前后相繼的兩個(gè)順序點(diǎn)，到了t_i+1，任何C/C++? 系統(tǒng)（VC、BC等都是C/C++系統(tǒng)）都必須實(shí)現(xiàn)t_i之后發(fā)生的所有副作用。當(dāng)然它們也可以不等到時(shí)刻t_i+1，完全可以選擇在時(shí)段 [t, t_i+1]? 之間的任何時(shí)刻實(shí)現(xiàn)在此期間出現(xiàn)的副作用，因?yàn)镃/C++? 語言允許這些選擇。

前面討論中假定了 a[i]++? 在 a[i]（這塊應(yīng)該是裘老的小筆誤吧？a[i]->a[j]）之前做。在一個(gè)程序片段里 a[i]++? 究竟是否先做，還與它所在的表達(dá)式確定的計(jì)算過程有關(guān)。我們都熟悉 C/C++? 語言有關(guān)優(yōu)先級(jí)、結(jié)合性和括號(hào)的規(guī)定，而出現(xiàn)多個(gè)運(yùn)算對(duì)象時(shí)的計(jì)算順序卻常常被人們忽略。看下面例子：
? (a + b) * (c + d)? fun(a++, b, a+5)
這里“*”的兩個(gè)運(yùn)算對(duì)象中哪個(gè)先算？fun 及其三個(gè)參數(shù)按什么順序計(jì)算？對(duì)第一個(gè)表達(dá)式，采用任何計(jì)算順序都沒關(guān)系，因?yàn)槠渲械淖颖磉_(dá)式都是引用透明的。第二個(gè)例子里的實(shí)參表達(dá)式出現(xiàn)了副作用，計(jì)算順序就非常重要了。少數(shù)語言明確規(guī)定了運(yùn)算對(duì)象的計(jì)算順序（Java 規(guī)定從左到右），C/C++? 則有意不予規(guī)定，既沒有規(guī)定大多數(shù)二元運(yùn)算的兩個(gè)對(duì)象的計(jì)算順序（除了“&&”、“||” 和“,”），也沒有規(guī)定函數(shù)參數(shù)和被調(diào)函數(shù)的計(jì)算順序。在計(jì)算第二個(gè)表達(dá)式時(shí)，首先按照某種順序算 fun、a++、b 和a+5，之后是順序點(diǎn)，而后進(jìn)入函數(shù)執(zhí)行。

不少書籍在這些問題上有錯(cuò)（包括一些很流行的書）。例如說C/C++? 先算左邊（或右邊），或者說某個(gè) C/C++? 系統(tǒng)先計(jì)算某一邊。這些說法都是錯(cuò)誤的！一個(gè) C/C++ 系統(tǒng)可以永遠(yuǎn)先算左邊或永遠(yuǎn)先算右邊，也可以有時(shí)先算左邊有時(shí)先算右邊，或在同一表達(dá)式里有時(shí)先算左邊有時(shí)先算右邊。不同系統(tǒng)可能采用不同的順序（因?yàn)槎挤险Z言標(biāo)準(zhǔn)）；同一系統(tǒng)的不同版本完全可以采用不同方式；同一版本在不同優(yōu)化方式下，在不同位置都可能采用不同順序。因?yàn)檫@些做法都符合語言規(guī)范。在這里還要注意順序點(diǎn)的問題：即使某一邊的表達(dá)式先算了，其副作用也可能沒有反映到內(nèi)存，因此對(duì)另一邊的計(jì)算沒有影響。

回到前面的例子：“誰知道下面 C 語句給 n 賦什么值？”
? m = 1; n = m++ +m++;
正確回答是：不知道！語言沒有規(guī)定它應(yīng)該算出什么，結(jié)果完全依賴具體系統(tǒng)在具體上下文中的具體處理。其中牽涉到運(yùn)算對(duì)象的求值順序和變量修改的實(shí)現(xiàn)時(shí)刻問題。對(duì)于：
? cout << a++ << a;
我們知道它是
(cout.operator <<(a++)).operator << (a);
?的簡(jiǎn)寫。先看外層函數(shù)調(diào)用，這里需要算出所用函數(shù)（由加下劃線的一段得到），還需要計(jì)算 a 的值。語言沒有規(guī)定哪個(gè)先算。如果真的先算函數(shù)，這一計(jì)算中出現(xiàn)了另一次函數(shù)調(diào)用，在被調(diào)函數(shù)體執(zhí)行前有一個(gè)順序點(diǎn)，那時(shí) a++的副作用就會(huì)實(shí)現(xiàn)。如果是先算參數(shù)，求出 a的值 4，而后計(jì)算函數(shù)時(shí)的副作用當(dāng)然不會(huì)改變它（這種情況下輸出兩個(gè) 4）。當(dāng)然，這些只是假設(shè)，實(shí)際應(yīng)該說的是：這種東西根本不該寫，討論其效果沒有意義。

有人可能說，為什么人們?cè)O(shè)計(jì) C/C++時(shí)不把順序規(guī)定清楚，免去這些麻煩？C/C++ 語言的做法完全是有意而為，其目的就是允許編譯器采用任何求值順序，使編譯器在優(yōu)化中可以根據(jù)需要調(diào)整實(shí)現(xiàn)表達(dá)式求值的指令序列，以得到效率更高的代碼。像 Java 那樣嚴(yán)格規(guī)定表達(dá)式的求值順序和效果，不僅限制了語言的實(shí)現(xiàn)方式，還要求更頻繁的內(nèi)存訪問（以實(shí)現(xiàn)副作用），這些可能帶來可觀的效率損失。應(yīng)該說，在這個(gè)問題上，C/C++和 Java 的選擇都貫徹了它們各自的設(shè)計(jì)原則，各有所獲（C/C++? 潛在的效率，Java 更清晰的程序行為），當(dāng)然也都有所失。還應(yīng)該指出，大部分程序設(shè)計(jì)語言實(shí)際上都采用了類似 C/C++的規(guī)定。

討論了這么多，應(yīng)該得到什么結(jié)論呢？C/C++? 語言的規(guī)定告訴我們，任何依賴于特定計(jì)算順序、依賴于在順序點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)修改效果的表達(dá)式，其結(jié)果都沒有保證。程序設(shè)計(jì)中應(yīng)該貫徹的規(guī)則是：如果在任何“完整表達(dá)式”（形成一段由順序點(diǎn)結(jié)束的計(jì)算）里存在對(duì)同一“變量”的多個(gè)引用，那么表達(dá)式里就不應(yīng)該出現(xiàn)對(duì)這一“變量”的副作用。否則就不能保證得到預(yù)期結(jié)果。注意：這里的問題不是在某個(gè)系統(tǒng)里試一試的問題，因?yàn)槲覀儾豢赡茉囼?yàn)所有可能的表達(dá)式組合形式以及所有可能的上下文。這里討論的是語言，而不是某個(gè)實(shí)現(xiàn)。總而言之，絕不要寫這種表達(dá)式，否則我們或早或晚會(huì)在某種環(huán)境中遇到麻煩。?

后記：去年參加一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議，看到有同行寫文章討論某個(gè) C 系統(tǒng)里表達(dá)式究竟按什么順序求值，并總結(jié)出一些“規(guī)律”。從討論中了解到某“程序員水平考試”出了這類題目。這使我感到很不安。今年給一個(gè)教師學(xué)習(xí)班講課，發(fā)現(xiàn)許多專業(yè)課教師也對(duì)這一基本問題也不甚明了，更覺得問題確實(shí)嚴(yán)重。因此整理出這篇短文供大家參考。

后后記：4 年多過去了，許多新的和老的教科書仍然在不厭其煩地討論在 C 語言里原本并無意義的問題（如本文所指出的）。希望學(xué)習(xí)和使用 C 語言的人不要陷入其中。——2009.2

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《新程序員》：云原生和全面數(shù)字化實(shí)踐50位技術(shù)專家共同創(chuàng)作，文字、視頻、音頻交互閱讀

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C/C++ 语言中表达式的求值的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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