C の演算子：算術・論理・優先順位

演算子は C の動詞です。値を取り、新しい値を生み出します。全部で 40 個ほどありますが、大半のコードは十数個で足ります。そのうち 2 つは、独立した節を割く価値があるほど鋭い罠を抱えています。

算術演算子

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a = 17, b = 5;

    printf("a + b  = %d\n", a + b);   /* 22 */
    printf("a - b  = %d\n", a - b);   /* 12 */
    printf("a * b  = %d\n", a * b);   /* 85 */
    printf("a / b  = %d\n", a / b);   /* 3  - 整数除算！ */
    printf("a %% b  = %d\n", a % b);  /* 2  - 余り */
    printf("-a     = %d\n", -a);      /* 単項マイナス */
    return 0;
}

（書式文字列中の %% はパーセント記号そのものを表示します。% ひとつでは書式指定子が始まってしまいます。）

2 項の算術演算子は + - * / % の 5 つ、それに符号反転の単項 - と、事実上何もしない + があります。

整数除算の罠

整数同士の a / b は整数除算を行い、余りを捨てます。丸めは行われません。結果はゼロ方向に切り捨てられます。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int total = 7, count = 2;

    printf("7 / 2         = %d\n", total / count);          /* 3 */
    printf("7 / 2.0       = %f\n", total / 2.0);            /* 3.5 */
    printf("(double)7 / 2 = %f\n", (double)total / count);  /* 3.5 */

    double wrong = total / count;      /* 割り算が先に、整数として行われる */
    printf("wrong average = %f\n", wrong);   /* 3.000000 */
    return 0;
}

最後のケースが、本番環境まで生き延びるバグです。double に代入しても助けにはなりません。除算 total / count は代入が起こる前に既に完了しており、既に int だからです。対策は、たいていはキャストを使って、式の内側で片方のオペランドを浮動小数点にすることです。

関連するルールが 2 つあります。整数でゼロ除算するのは未定義動作で、たいていプログラムがクラッシュします。そして INT_MIN / -1 はオーバーフローします。

剰余演算子

% は余りを返し、整数にのみ使えます。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        if (i % 2 == 0) {
            printf("%d is even\n", i);
        } else {
            printf("%d is odd\n", i);
        }
    }

    int seconds = 3725;
    printf("\n%d seconds = %dh %dm %ds\n",
           seconds, seconds / 3600, (seconds % 3600) / 60, seconds % 60);
    return 0;
}

偶数判定の x % 2 == 0 と、配列の添字を巻き戻すための % n が、日常の 2 大用途です。

負の数では、C の % は被除数の符号に従います。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf(" 7 %% 3 = %d\n",  7 % 3);   /*  1 */
    printf("-7 %% 3 = %d\n", -7 % 3);   /* -1、2 ではない */
    printf(" 7 %% -3 = %d\n", 7 % -3);  /*  1 */
    return 0;
}

したがって x が負になりうるとき、x % 2 == 1 は奇数判定として壊れています。-7 % 2 は -1 だからです。代わりに x % 2 != 0 を使いましょう。

浮動小数点の余りに % を使うとコンパイルエラーです。math.h の fmod() を使ってください。

代入と複合代入

= は値を格納します。複合形は演算と格納を組み合わせます。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int x = 10;

    x += 5;   printf("x += 5   -> %d\n", x);   /* 15 */
    x -= 3;   printf("x -= 3   -> %d\n", x);   /* 12 */
    x *= 2;   printf("x *= 2   -> %d\n", x);   /* 24 */
    x /= 4;   printf("x /= 4   -> %d\n", x);   /* 6  */
    x %= 4;   printf("x %%= 4   -> %d\n", x);  /* 2  */
    return 0;
}

x += 5 は x = x + 5 を意味しますが、x を一度しか評価しません。対象が arr[compute_index()] のようなものであるときに、これが効いてきます。

代入自体も、代入した値を返す式です。だからこそ a = b = c = 0 が動き（右から左に代入されます）、= と == の取り違えが黙ってコンパイルされてしまうのです。

インクリメントとデクリメント

++ は 1 を足し、-- は 1 を引きます。それぞれに前置形と後置形があります。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int i = 5;
    int a = i++;    /* a には 5（古い値）が入り、その後 i が 6 になる */
    printf("postfix: a = %d, i = %d\n", a, i);

    int j = 5;
    int b = ++j;    /* 先に j が 6 になり、それから b に 6 が入る */
    printf("prefix:  b = %d, j = %d\n", b, j);

    int k = 5;
    k++;            /* 単独の文としては ++k と同一 */
    printf("statement: k = %d\n", k);
    return 0;
}

単独の文としては 2 つは交換可能で、for のヘッダーで i++ が慣例なのは、伝統以上の深い理由はありません。

やってはいけないのは、ある式の中で変更される変数を、その式の中で 2 回以上使うことです。

int i = 5;
int x = i++ + i++;      /* 未定義動作 */
arr[i] = i++;           /* 未定義動作 */
printf("%d %d", i++, i);/* 未定義動作 */

C はこれらの部分式が評価される順序を定めていないので、結果が未規定であるにとどまらず、プログラム全体の動作が未定義になります。文を 2 つに分ければ、あいまいさは消えます。

比較演算子

6 つあり、どれも int を生み出します。真なら 1、偽なら 0 です。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a = 5, b = 8;

    printf("a == b : %d\n", a == b);   /* 0 */
    printf("a != b : %d\n", a != b);   /* 1 */
    printf("a <  b : %d\n", a <  b);   /* 1 */
    printf("a >  b : %d\n", a >  b);   /* 0 */
    printf("a <= 5 : %d\n", a <= 5);   /* 1 */
    printf("a >= 9 : %d\n", a >= 9);   /* 0 */
    return 0;
}

結果が専用の真偽型ではなくただの int であることは C を特徴づける性質です。そこから何が導かれるか（= と == のバグを含めて）は C の真偽値 を参照してください。

比較の間違いのうち 2 つは C に特有です。数学が示唆するようには連鎖できません。if (1 < x < 10) は常に真になります。1 < x が 0 か 1 に評価され、それが 10 と比較されるからです。if (x > 1 && x < 10) と書きましょう。そして == で文字列を比較するのは、テキストではなくポインタの比較です。string.h の strcmp を使ってください。

論理演算子

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int age = 25;
    int has_license = 1;

    if (age >= 18 && has_license) {
        printf("May drive\n");
    }

    if (age < 13 || age > 65) {
        printf("Discounted ticket\n");
    } else {
        printf("Full price\n");
    }

    printf("!has_license = %d\n", !has_license);   /* 0 */
    printf("!0 = %d\n", !0);                       /* 1 */
    return 0;
}

&& は AND、|| は OR、! は NOT です。3 つとも、ゼロ以外の値はすべて真として扱います。

これらは短絡します。&& は片方のオペランドが偽になった時点で止まり、|| は片方が真になった時点で止まります。残りは決して評価されません。これは単なる最適化ではなく、安全のために頼ってよい保証です。

#include <stdio.h>

int is_safe(int *p) {
    /* p が NULL なら *p は決して評価されない - && が先に止まる。 */
    return p != NULL && *p > 0;
}

int main(void) {
    int value = 7;
    printf("with a real pointer: %d\n", is_safe(&value));
    printf("with NULL:           %d\n", is_safe(NULL));
    return 0;
}

この 2 つの検査の順序を入れ替えると、NULL での呼び出しはヌルポインタを参照外ししてクラッシュします。先にガードし、それから使う。&& の連鎖における順序はロジックの一部です。

条件演算子

C で唯一の 3 項演算子は、2 つの値から選びます。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a = 12, b = 30;

    int max = (a > b) ? a : b;
    printf("max = %d\n", max);

    printf("%d item%s\n", a, (a == 1) ? "" : "s");
    return 0;
}

条件 ? 真のときの値 : 偽のときの値 です。式なので、if 文が置けない場所にも収まります。printf の引数の中や、初期化子の中などです。短く保ちましょう。条件演算子をネストさせると、あっという間に読めなくなります。

ビット演算子（簡単に）

これらは整数の個々のビットに対して働きます。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    unsigned int a = 12;   /* 2 進で 1100 */
    unsigned int b = 10;   /* 1010 */

    printf("a & b  = %u\n", a & b);    /* 8  - 1000、AND */
    printf("a | b  = %u\n", a | b);    /* 14 - 1110、OR  */
    printf("a ^ b  = %u\n", a ^ b);    /* 6  - 0110、XOR */
    printf("~a     = %u\n", ~a);       /* NOT - すべてのビットを反転 */
    printf("a << 2 = %u\n", a << 2);   /* 48 - 上へシフト、4 倍になる */
    printf("a >> 2 = %u\n", a >> 2);   /* 3  - 下へシフト、4 で割る */
    return 0;
}

フラグ、マスク、ハードウェアレジスタに使われます。注意が 2 つ。& と | は && や || ではありません（短絡せず、ビットごとに働きます）。そして符号付きの値をシフトしたり、型の幅を超えてシフトしたりするのは未定義です。ビット操作には符号なし型を使いましょう。

優先順位

式にかっこがないとき、何が何に結び付くかを決めるのがこの表です。優先順位の高い順に並んでいます。

実際に効いてくる帰結は次のとおりです。

a + b * c       /* a + (b * c) の意味 */
a < b == c < d  /* (a < b) == (c < d) の意味 - 意図どおりであることはまずない */
x & 1 == 0      /* x & (1 == 0)、つまり x & 0 の意味 - 典型的なバグ */
*p++            /* *(p++) の意味 - p を参照外ししてから、p を進める */

3 行目は覚える価値があります。== は & より強く結び付くので、ビットマスクの検査にはかっこが要ります。(x & 1) == 0 です。

15 段階すべてを覚えている人はいませんし、その必要もありません。* が + に勝つこと、比較が && に勝ち && が || に勝つこと、そしてそれ以外にはかっこを付けること。これだけ覚えましょう。

if ((flags & MASK) != 0 && (count > 0 || force)) { ... }

この行には冗長なかっこがありますが、あるほうが良いのです。