求值順序

表達式求值順序不同於運算結合性和優先級。

下面是一個經典例子，被 ISO C99/ C++98 /03 三大標準明確提到：他的結果是不確定(unspecified) 的。

i = ++i + 1; // The behavior is unspecified

在介紹概念之前，我們先解釋一下它的結果。這個表達式( expression )包含3個子表達式( subexpression ):

e1 = ++i

e2 = e1 + 1

i = e2

這三個子表達式都沒有順序點( sequence point )，而 ++ i 和 i = e3 都是有副作用( side effect )的表達式。由於沒有順序點，語言不保證這兩個副作用的順序。

更加可怕的是，如果i 是一個內建類型，並在下一個順序點之前被改寫超過一次，那麼結果是未定義(undefined)的！比如本例中如果有:

int i = 0x1000fffe;

i = ++i + 1; // The result is undefined!!

你也許會認為他的結果是加1 或者加2，其實更糟糕 —— 結果可能是 0x1001ffff 。他的高字節接受了一個副作用的內容，而低字節則接受了另一個副作用的內容！ 如果i 是指針，那麼將很容易造成程序崩潰。

為什麼要這麼做呢？因為對於編譯器提供商來説，未確定的順序對優化有相當重要的作用。比如，一個常見的優化策略是“減少寄存器佔用和臨時對象”。編譯器可以重新組織表達式的求值，以便儘量不使用額外的寄存器以及臨時變量。 更加嚴格的説，即使是編譯器提供商也無法完全徹底序列化指令（比如無法嚴格規定讀和寫的順序），因為CPU本身有權利修改指令順序，以便達到更高的速度。

下面的術語以 ISO C99 和 C++03為準。譯名為參考並附帶原術語對照，如有解釋不當或者錯誤望指正。

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表達式有兩種功能。每個表達式都產生一個值( value )，同時可能包含副作用( side effect )，比如可能修改某些值。

規則的核心在於 順序點( sequence point ) [ C99 6.5 Expressions 條款2 ] [ C++03 5 Expressions 概述 條款4 ]。 這是一個結算點，語言要求這一側的求值和副作用(除了臨時對象的銷燬以外)全部完成，才能進入下面的部分。 C/C++中大部分表達式都沒有順序點，只有下面五種表達式有：

1 函數。函數調用之前有一個求值順序點。

2 && || 和 ?: 這三個包含邏輯的表達式。其左側邏輯完成後有一個求值順序點。

3 逗號表達式。逗號左側有一個求值順序點。

注意，他們都只有一個求值順序點，2和3的右側運算結束後並沒有求值順序點。

在兩個順序點之間，子表達式求值和副作用的順序是不確定的。假如代碼的結果與求值和副作用發生順序相關，我們稱這樣的代碼有不確定的行為(unspecified behavior)。 而且，假如期間對一個內建類型執行一次以上的寫操作，則是未定義行為(undefined behavior)——我們知道，未定義行為帶來最好的後果是讓你的程序立即崩掉。

n = n++; // 兩個副作用，對於內建對象產生是未定義行為

幾乎所有表達式，求值順序都不確定。比如，下面的加法， f1 f2 f3的調用順序是任意的:

n = f1（） + f2（） + f3（）; // f1 f2 f3 調用順序任意

而函數也只在實際調用前有一個求值順序點。所以，常見於早期 C 語言教材的這類題目，是錯題：

printf("%d",--a+b,--b+a); // --a + b 和 --b + a 這兩個子表達式，求值順序不確定

天啊，甚至可能出現未定義行為？那麼堅決不寫與實現相關的代碼是最好的對策。即使是不確定行為(比如函數調用時) 只要沒有順序點編譯器怎麼做方便就怎麼做。 有些人認為函數調用參數求值與入棧順序相關，這是一種誤導。這個東西要解釋，無異於事後諸葛亮：

void f( int i1, int i2, int i3, int i4 ){
  cout<< i1 << ' ' << i2 << ' ' << i3 << ' ' << i4 << endl;
}
int main(){
  int i = 0;
  f( i++, i++, i++, i++ );
}

這個有四個表達式求值，同時每個表達式都有負作用。這八個操作順序是任意的，那麼結果如何？未定義。

請用 VC7.1 Debug和 Release 分別測試這同一份代碼，結果是不同的:

0 0 0 0 [release]

3 2 1 0 [debug]

事實上，鑑於前面的討論，如果換一些其他初始值，這裏甚至會出現錯位而得到千奇百怪的詭異結果。

再看看C/C++標準中的其他經典例子：

[C99] 6.5.2.2 Function call

條款12 EXAMPLE 在下面的函數調用中:

(*pf[f1（）]) ( f2（）, f3（） + f4（） )

函數 f1 f2 f3 和f4 可能以任何順序被調用。 但是，所有副作用都必須在那個 pf[ f1（） ] 返回的函數指針產生的調用前完成。

[C++03] 5 Expressions 概論4

i = v[i++]; // the behavior is unspecified

i = 7, i++, i++; // i becomes 9 ( 譯註: 賦值表達式比逗號表達式優先級高 )

i = ++i + 1; // the behavior is unspecified

i = i + 1; // the value of i is incremented

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More Effective C++ 告誡我們， 千萬不要重載 &&, || 和, 操作符[ MEC ，條款7 ]。為什麼？

以逗號操作符為例，每個逗號左側有一個求值順序點。假如ar是一個普通的對象，下面的做法是無歧義的：

ar[ i ], ++i ;

但是，如果ar[ i ] 返回一個 class A 對象或引用，而它重載了 operator, 那麼結果不妙了。那麼，上面的語句實際上是一個函數調用：

ar[ i ].operator, ( ++i );

C/C++ 中，函數只在調用前有一個求值順序點。所以 ar 和 ++i 的求值、以及 ++i 副作用的順序是任意的。這會引起混亂。

更可怕的是，重載 && 和 || 。 大家已經習慣了其速死算法： 如果左側求值已經決定了最終結果，則右側不會被求值。而且大家很依賴這個行為，比如是C風格字符串拷貝常常這樣寫：

while( p && *p )

*pd++ = *p++;

假如p 為 0， 那麼 *p 的行為是未定義的，可能令程序崩潰。 而 && 的求值順序避免了這一點。 但是，如果我們重載 && 就等於下面的做法：

exp1 .operator && ( exp2 )

不僅僅是求值混亂了。無論exp1是什麼結果，exp2 必然會被求值。

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最後這裏有篇更深入的帖子：C++中的求值|副作用|序列點所導致的模糊語義，推薦看看。

作者在google討論組上發了篇帖子，看了簡直會讓你對求值順序和副作用發瘋。比如，下面這個表達式結果居然是不確定的？

cout＜< "x = "＜< itoa(42,buf,10)＜< ", y = "＜< itoa(43,buf,10);

大家要小心別中招啊... 另外有一個更加難以察覺的例子：

void f ( auto_ptr<int> );

void f_2( auto_ptr<int>, int );

f( auto_ptr<int>( new int ) ); // exception save

f( auto_ptr<int>( new int ), g（） ); // !! not exception save

第一個例子是異常安全的。new int 返回一個指針 —— 如果他失敗那麼內存根本不會分配。 auto_ptr＜＞ 如果失敗（如果的話），那麼它有能力刪除這個指針。

第二個例子則不然，如果g（）拋出異常，那麼他有可能導致 memleak —— 你看，若求值碰巧以這個順序進行：

1 int* temp = new int

2 g（）

3 auto_ptr( temp )

那麼當 g（） 拋出異常的時候，temp 是一個裸指針，不會有任何機制幫助它釋放其內存！