C++语言

C++ 07_C++运算符重载

一、C++运算符重载基础

1.1 运算符重载简介

所谓重载，就是赋予新的含义。

函数重载（Function Overloading） 可以让一个函数名有多种功能，在不同情况下进行不同的操作。

运算符重载（Operator Overloading） 也是一个道理，让同一个运算符可以有不同的功能。

实际上，C++ 本身已经对一些运算符进行了重载，我们已经在不知不觉中广泛的使用了运算符重载，例如：

  • + 号可以对不同类型（int、float 等）的数据进行加法操作；
  • << 既是位移运算符，又可以配合 cout 向控制台输出数据;

C++ 也允许程序员自己重载运算符，这给我们带来了很大的便利。

1.2 类成员运算符重载

下面的代码定义了一个复数类，通过运算符重载，可以用+号实现复数的加法运算：

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#include <iostream>
using namespace std;
class complex{
public:
    complex();
    complex(double real, double imag);
public:
    //声明运算符重载
    complex operator+(const complex &A) const;
    void display() const;
private:
    double m_real;  //实部
    double m_imag;  //虚部
};
complex::complex(): m_real(0.0), m_imag(0.0){ }
complex::complex(double real, double imag): m_real(real), m_imag(imag){ }
//实现运算符重载
complex complex::operator+(const complex &A) const{
    complex B;
    B.m_real = this->m_real + A.m_real;
    B.m_imag = this->m_imag + A.m_imag;
    return B;
}
void complex::display() const{
    cout<<m_real<<" + "<<m_imag<<"i"<<endl;
}
int main(){
    complex c1(4.3, 5.8);
    complex c2(2.4, 3.7);
    complex c3;
    c3 = c1 + c2;
    c3.display();
    return 0;
}

运行结果：

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6.7 + 9.5i

本例中义了一个复数类 complex，m_real 表示实部，m_imag 表示虚部，complex operator+(const complex &A) const; 行声明了运算符重载，类体外进行了实现（定义）。认真观察声明 和 定义处的代码，可以发现运算符重载的形式与函数非常类似。

运算符重载 实质就是定义一个函数，在函数体内实现想要的功能，当用到该运算符时，编译器会自动调用这个函数。也就是说，运算符重载是通过函数实现的，它本质上是函数重载。

运算符重载的格式为：

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返回值类型 operator 运算符名称 (形参表列){
    //TODO:
}

operator 是C++中的关键字，专门用于定义重载运算符的函数。我们可以将 operator 和 运算符名称 这一部分看做函数名，对于上面的代码，函数名就是 operator+。

Tips: 运算符重载函数除了函数名有特定的格式，其它地方和普通函数并没有区别。

上面的例子中，我们在 complex 类中重载了运算符+，该重载只对 complex 对象有效。当执行c3 = c1 + c2;语句时，编译器检测到+号左边（+号具有左结合性，所以先检测左边）是一个 complex 对象，就会调用成员函数operator+()，也就是转换为下面的形式：

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c3 = c1.operator+(c2);

c1 是要调用函数的对象，c2 是函数的实参。

上面的运算符重载还可以有更加简练的定义形式：

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complex complex::operator+(const complex &A)const{
    return complex(this->m_real + A.m_real, this->m_imag + A.m_imag);
}

return 语句中的 complex(this->m_real + A.m_real, this->m_imag + A.m_imag) 会创建一个临时对象，这个对象没有名称，是一个匿名对象。在创建临时对象过程中调用构造函数，return 语句将该临时对象作为函数返回值。

1.3 全局范围重载运算符

运算符重载函数不仅可以作为类的成员函数，还可以作为全局函数。更改上面的代码，在全局范围内重载+，实现复数的加法运算：

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#include <iostream>
using namespace std;

class complex{
public:
    complex();
    complex(double real, double imag);
public:
    void display() const;
    //声明为友元函数
    friend complex operator+(const complex &A, const complex &B);
private:
    double m_real;
    double m_imag;
};

complex operator+(const complex &A, const complex &B);

complex::complex(): m_real(0.0), m_imag(0.0){ }
complex::complex(double real, double imag): m_real(real), m_imag(imag){ }
void complex::display() const{
    cout<<m_real<<" + "<<m_imag<<"i"<<endl;
}

//在全局范围内重载+
complex operator+(const complex &A, const complex &B){
    complex C;
    C.m_real = A.m_real + B.m_real;
    C.m_imag = A.m_imag + B.m_imag;
    return C;
}

int main(){
    complex c1(4.3, 5.8);
    complex c2(2.4, 3.7);
    complex c3;
    c3 = c1 + c2;
    c3.display();
 
    return 0;
}

运算符重载函数不是 complex 类的成员函数，但是却用到了 complex 类的 private 成员变量，所以必须在 complex 类中将该函数声明为友元函数。

当执行c3 = c1 + c2;语句时，编译器检测到+号两边都是 complex 对象，就会转换为类似下面的函数调用：

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c3 = operator+(c1, c2);

总结：

  • 运算符重载所实现的功能完全可以用函数替代，但运算符重载使得程序的书写更加人性化，易于阅读。
  • 运算符被重载后，原有的功能仍然保留，没有丧失或改变。
  • 通过运算符重载，扩大了C++已有运算符的功能，使之能用于对象。

运算符重载是通过函数重载实现的。

二、C++运算符重载时要遵循的规则

2.1 并不是所有的运算符都可以重载

能够重载的运算符包括：

  • 四则运算符: +、-、*、/、%、+=、-=、*=、/=、%=
  • 关系运算符: <、>、==、!=、<=、>=
  • 位运算符: ^、&、|、~、!、^=、&=、|=
  • 赋值运算符：=
  • 逻辑运算符：&&、||
  • 其它运算符：++、--、<<、>>、<<=、>>=、,、->*、->、()、[]、new、new[]、delete、delete[]

上述运算符中，[]是下标运算符，()是函数调用运算符，自增自减运算符的前置和后置形式都可以重载。

Tips: 不能被重载的运算符

  • 长度运算符 sizeof
  • 条件运算符 : ?
  • 成员选择符 .
  • 域解析运算符 ::

2.2 重载不能改变运算符的优先级和结合性

假设上一节的 complex 类中重载了 + 号和 * 号，并且 c1、c2、c3、c4 都是 complex 类的对象，那么下面的语句：

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c4 = c1 + c2 * c3;

等价于：

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c4 = c1 + ( c2 * c3 );

乘法的优先级仍然高于加法，并且它们仍然是二元运算符。

2.3 重载不会改变运算符的用法

运算符原来有几个操作数、操作数在左边还是在右边，这些都不会改变。例如 ~ 号右边只有一个操作数，+ 号总是出现在两个操作数之间，重载后也必须如此。

2.4 运算符重载函数不能有默认的参数

运算符重载函数不能有默认的参数，否则就改变了运算符操作数的个数，这显然是错误的。

2.5 运算符重载函数既可以作为类的成员函数也可以作为全局函数

Tips: 将运算符重载函数作为类的成员函数时，二元运算符的参数只有一个，一元运算符不需要参数。之所以少一个参数，是因为这个参数是隐含的。

例如，上节的 complex 类中重载了加法运算符：

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complex operator+(const complex & A) const;

当执行：

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c3 = c1 + c2;

会被转换为：

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c3 = c1.operator+(c2);

通过 this 指针隐式的访问 c1 的成员变量。

将运算符重载函数作为全局函数时，二元操作符就需要两个参数，一元操作符需要一个参数，而且其中必须有一个参数是对象，好让编译器区分这是程序员自定义的运算符，防止程序员修改用于内置类型的运算符的性质。

如果有两个参数，这两个参数可以都是对象，也可以一个是对象，一个是C ++内置类型的数据，例如：

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complex operator+(int a, complex &c){
    return complex(a+c.real, c.imag);
}

它的作用是使一个整数和一个复数相加。

另外，将运算符重载函数作为全局函数时，一般都需要在类中将该函数声明为友元函数。原因很简单，该函数大部分情况下都需要使用类的 private 成员。

2.6 只能以成员函数的形式重载的运算符

  • 箭头运算符->
  • 下标运算符[]
  • 函数调用运算符()
  • 赋值运算符=