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  • 谜题7:互换内容

    下面的程序使用了复合的异或赋值操作符,它所展示的技术是一种编程习俗。那么它会打印出什么呢?

    
    public class CleverSwap{
    
        public static void main(String[] args){
    
            int x = 1984; // (0x7c0)
    
            int y = 2001; // (0x7d1)
    
            x^= y^= x^= y;
    
            System.out.println("x= " + x + "; y= " + y);
    
        }
    
    }
    

    就像其名称所暗示的,这个程序应该交换变量x和y的值。如果你运行它,就会发现很悲惨,它失败了,打印的是

    
    x = 0; y = 1984。
    

    交换两个变量的最显而易见的方式是使用一个临时变量:

    
    int tmp = x;
    
    x = y;
    
    y = tmp;
    

    很久以前,当中央处理器只有少数寄存器时,人们发现可以通过利用异或操作符(^)的属性(x ^ y ^ x) == y来避免使用临时变量:

    
    x = x ^ y;
    
    y = y ^ x;
    
    x = y ^ x;
    

    这个惯用法曾经在C编程语言中被使用过,并进一步被构建到了C++中,但是它并不保证在二者中都可以正确运行。但是有一点是肯定的,那就是它在Java中肯定是不能正确运行的。

    Java语言规范描述到:操作符的操作数是从左向右求值的。为了求表达式 x ^= expr的值,x的值是在计算expr之前被提取的,并且这两个值的异或结果被赋给变量x。在CleverSwap程序中,变量x的值被提取了两次——每次在表达式中出现时都提取一次——但是两次提取都发生在所有的赋值操作之前。

    下面的代码段详细地描述了将互换惯用法分解开之后的行为,并且解释了为什么产生的是我们所看到的输出:

    
    // Java中x^= y^= x^= y的实际行为
    
    int tmp1 = x ; // x在表达式中第一次出现
    
    int tmp2 = y ; // y的第一次出现
    
    int tmp3 = x ^ y ; // 计算x ^ y
    
    x = tmp3 ; // 最后一个赋值:存储x ^ y 到 x
    
    y = tmp2 ^ tmp3 ; // 第二个赋值:存储最初的x值到y中
    
    x = tmp1 ^ y ; // 第一个赋值:存储0到x中
    

    在C和C++中,并没有指定表达式的计算顺序。当编译表达式x ^= expr时,许多C和C++编译器都是在计算expr之后才提取x的值的,这就使得上述的惯用法可以正常运转。尽管它可以正常运转,但是它仍然违背了C/C++有关不能在两个连续的序列点之间重复修改变量的规则。因此,这个惯用法的行为在C和C++中也没有明确定义。

    为了看重其价值,我们还是可以写出不用临时变量就可以互换两个变量内容的Java表达式的。但是它同样是丑陋而无用的:

    // 杀鸡用牛刀的做法,千万不要这么做!

    
    y = (x^= (y^= x))^ y ;
    

    这个教训很简单:在单个的表达式中不要对相同的变量赋值两次。表达式如果包含对相同变量的多次赋值,就会引起混乱,并且很少能够执行你希望的操作。即使对多个变量进行赋值也很容易出错。更一般地讲,要避免所谓聪明的编程技巧。它们都是易于产生bug的,很难以维护,并且运行速度经常是比它们所替代掉的简单直观的代码要慢。

    语言设计者可能会考虑禁止在一个表达式中对相同的变量多次赋值,但是在一般的情况下,强制执行这条禁令会因为别名机制的存在而显得很不灵活。例如,请考虑表达式 x = a[i]++ - a[j]++,它是否递增了相同的变量两次呢?这取决于在表达式被计算时i和j的值,并且编译器通常是无法确定这一点。

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