C++从入门到入土第四篇：运算符重载

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++从入门到入土第四篇：运算符重载相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

系列文章目录

【C++从入门到入土】第一篇：从C到C++.
【C++从入门到入土】第二篇：类和对象基础.
【C++从入门到入土】第三篇：类和对象提高.

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前言

  • 在数学上，两个复数可以直接进行+、-等运算。但 在C++中，直接将+或-用于复数对象是不允许的。
  • 有时会希望，让对象也能通过运算符进行运算。这样代码更简洁，容易理解。
  • 例如： complex_a和complex_b是两个复数对象； 求两个复数的和, 希望能直接写：

complex_a + complex_b

所以让我们对运算符进行重载，满足自身的需求。
本文较长，请耐心阅读。

运算符重载

1、定义和相关规则

  • 运算符重载，就是对已有的运算符(C++中预定义的运算符)赋予多重的含义，使同一运算符作用于不同类型的数据时导致不同类型的行为。
  • 运算符重载的目的是：扩展C++中提供的运算符的适用范围，使之能作用于对象。
  • 同一个运算符，对不同类型的操作数，所发生的行为不同。
  • 运算符重载的实质是函数重载
    以下是运算符重载的规则：
  • 不可以引人新的运算符。除了 . 、.* 、:: 、? :四个运算符，其他的运算符皆可被重载。
  • 运算符的操作数(operand）个数不可改变。每个二元运算符都需要两个操作数，每个一元运算符都需要恰好一个操作数。因此，我们无法定义出一个 equality运算符，并令它接受两个以上或两个以下的操作数。
  • 运算符的优先级（precedence）不可改变。例如，除法的运算优先级永远高于加法。
  • 运算符函数的参数列表中，必须至少有一个参数为 class类型。也就是说，我们无法为诸如指针之类的non-class类型，重新定义其原已存在的运算符，当然更无法为它引进新运算符。

运算符重载的形式

  • 运算符重载的实质是函数重载
  • 可以重载为普通函数，也可以重载为成员函数
  • 把含运算符的表达式转换成对运算符函数的调用。
  • 把运算符的操作数转换成运算符函数的参数。
  • 运算符被多次重载时，根据实参的类型决定调用哪个运算符函数。

定义形式：

返回值类型 operator 运算符（形参表）
{
……
}

重载实例：

class Complex
{
public:
	double real,imag;
	Complex( double r = 0.0, double i= 0.0 ):real(r),imag(i) { }
	Complex operator-(const Complex & c);
};
Complex operator+( const Complex & a, const Complex & b)
{
	return Complex( a.real+b.real,a.imag+b.imag); // 返回一个临时对象
}
Complex Complex::operator-(const Complex & c)
{
	return Complex(real - c.real, imag - c.imag); // 返回一个临时对象
}
int main()
{
	Complex a(4,4),b(1,1),c;
	c = a + b; // 等价于c=operator+(a,b);
	cout << c.real << "," << c.imag << endl;
	cout << (a-b).real << "," << (a-b).imag << endl;
	//a-b 等价于a.operator-(b)
	return 0;
}

特点：

重载为成员函数时 ， 参数个数为运算符目数减一 。
重载为普通函数时 ， 参数个数为运算符目数 。

2、赋值运算符的重载

赋值运算符 ‘=’重载

有时候希望赋值运算符两边的类型可以不匹配，比如，把一个int类型变量赋值给一个Complex对象，或把一个 char * 类型的字符串赋值给一个字符串对象,此时就需要重载赋值运算符“=”。

  • 赋值运算符“=”只能重载为成员函数赋值。

代码如下 ：

class String {
private:
	char * str;
public:
	String ():str(new char[1])
	{ 
	 	str[0] = 0;
	}
	const char * c_str() 
	{ 
		return str; 
	};
	String & operator = (const char * s);
	~String( ) { delete [] str; }
};
String & String::operator = (const char * s)
{ 	
	// 重载“=”得 以使得 obj = “hello” 能够成立
	delete [] str;
	str = new char[strlen(s)+1];
	strcpy( str, s);
	return * this;
}
int main()
{
	String s;
	s = "Good Luck," ; //等价于 s.operator=("Good Luck,");
	cout << s.c_str() << endl;
	// String s2 = "hello!"; //这条语句要是不注释掉就会出错
	//因为这里不是使用赋值语句而是初始化，应调用构造函数
	s = "Shenzhou 8!"; //等价于 s.operator=("Shenzhou 8!");
	cout << s.c_str() << endl;
	return 0;
}

输出：
Good Luck,
Shenzhou 8!

浅拷贝和深拷贝

引用上面的类说明此问题
有如下代码：

String S1, S2;
S1 = "this";
S2 = "that";
s1 = s2;

执行完这些语句，真的能达到我们想要效果吗？
当然没有，甚至很多时候会发生内存泄漏等重大错误。

  1. 如不定义自己的赋值运算符，那么S1=S2实际上导致 S1.str和 S2.str 指向同一地方。
  2. 如果S1对象消亡，析构函数将释放 S1.str指向的空间，则S2消亡时还 要释放一次，不妥。
  3. 另外，如果执行 S1 = “other”；会导致S2.str指向的地方被delete。

因此要在 class String里添加成员函数，定义一个属于String类的赋值运算

String & operator = (const String & s) 
{
	delete [] str;
	str = new char[strlen( s.str)+1];
	strcpy( str,s.str);
	return * this;
}

这么做就够了吗？还有什么需要改进的地方？
考虑下面语句：

String s;
s = "Hello";
s = s;

是否会有问题？
如果这样会开辟两片相同的空间，存放相同的数据，但是却都由s.str指向，明显错误，无法执行。
解决办法：
加一个判断两个变量是否相同

String & operator = (const String & s)
{
	if( this == & s)
		return * this;
	delete [] str;
	str = new char[strlen(s.str)+1];
	strcpy( str,s.str);
	return * this;
}

对 operator = 返回值类型的讨论

void 好不好？
String 好不好?
为什么是 String &

  • 对运算符进行重载的时候，好的风格是应该尽量保留运算符原本的特性

考虑： a = b = c;
和 (a=b)=c; //会修改a的值
分别等价于：
a.operator=(b.operator=( c ));
(a.operator=(b)).operator=( c );

上面的String类是否就没有问题了？
为 String类编写拷贝构造函数的时候，会面临和 = 同样的问题（浅深拷贝），用同样的方法处理。

String( String & s)
{
	str = new char[strlen(s.str)+1];
	strcpy(str,s.str);
}

3、运算符重载为友元函数

  • 一般情况下，将运算符重载为类的成员函数，是较好的选择。
  • 但有时，重载为成员函数不能满足使用要求，重载为普通函数，又不能访问类的私有成员，所以需要将运算符重载为友元。

例如：

class Complex
{
	double real,imag;
public:
	Complex( double r, double i):real(r),imag(i){ };
	Complex operator+( double r );
};
Complex Complex::operator+( double r )
{	//能解释 c+5
	return Complex(real + r,imag);
}

经过上述重载后：
Complex c ;
c = c + 5; // 有定义，相当于 c = c.operator +(5);
但是：
c = 5 + c; //编译出错
所以，为了使得上述的表达式能成立，需要将 + 重载为普通函数。

Complex operator+ (double r,const Complex & c)
{ 	//能解释 5+c
	return Complex( c.real + r, c.imag);
}

但是普通函数又不能访问私有成员，所以，需要将运算符 + 重载为友元。

class Complex
{
	double real,imag;
public:
	Complex( double r, double i):real(r),imag(i){ };
	Complex operator+( double r );
	friend Complex operator + (double r,const Complex & c);
};

4、运算符重载实例：可变长整型数组（类似vector）

首先确定我们要实现的功能

  1. 可变长 -> 动态开辟内存
  2. 能用数组初始化 -> 重写拷贝构造函数
  3. 有时需要用到赋值运算 -> 重载赋值运算符
  4. 需要输出类似a[i]的值 -> 重载下标运算符 ’ [ ] ’

代码如下：

int main() 
{   //要编写可变长整型数组类，使之能如下使用：
	CArray a; //开始里的数组是空的
	for( int i = 0;i < 5;++i)
		a.push_back(i);
	CArray a2,a3;
	a2 = a;     //重载“=”
	for( int i = 0; i < a.length(); ++i )
		cout << a2[i] << " " ;
	a2 = a3; //a2是空的
	for( int i = 0; i < a2.length(); ++i ) //a2.length()返回0
		cout << a2[i] << " ";
	cout << endl;
	a[3] = 100;
	CArray a4(a);//要自己写拷贝构造函数
	for( int i = 0; i < a4.length(); ++i )
		cout << a4[i] << " ";
	return 0;
}

接下来开始设置类

class CArray {
int size; //数组元素的个数
int *ptr; //指向动态分配的数组
public:
	CArray(int s = 0); //s代表数组元素的个数
	CArray(CArray & a);
	~CArray();
	void push_back(int v); //用于在数组尾部添加一个元素v
	CArray & operator=( const CArray & a);//用于数组对象间的赋值
	int length() { return size; } //返回数组元素个数
	_____ CArray::operator[](int i) //返回值是什么类型？
	{	//用以支持根据下标访问数组元素，
		// 如n = a[i] 和a[i] = 4; 这样的语句
		return ptr[i];
	}
};

上述重载下标运算符 [] 需要什么返回值呢？
因为我们需要支持如n = a[i] 和a[i] = 4; 这样的语句
所以需要引用，它能当左值。

具体函数实现：

CArray::CArray(int s):size(s)
{
	if( s == 0)
		ptr = NULL;
	else
		ptr = new int[s];
}
CArray::CArray(CArray & a) 
{
	if( !a.ptr) 
	{
		ptr = NULL;
		size = 0;
		return;
	}
	ptr = new int[a.size];
	memcpy( ptr, a.ptr, sizeof(int ) * a.size);
	size = a.size;
}
CArray::~CArray()
{
	if( ptr) delete [] ptr;
}
CArray & CArray::operator=( const CArray & a)
{ // 赋值号的作用是使“=” 左边对象里存放的数组，大小和内容都和右边的对象一样
	if( ptr == a.ptr) // 防止a=a 这样的赋值导致出错
		return * this;
	if( a.ptr == NULL) 
	{ // 如果a 里面的数组是空的
		//判断this->ptr是否为空
		if( ptr ) 
			delete [] ptr;
		ptr = NULL;
		size = 0;
		return * this;
	}
	if( size < a.size) 
	{ // 如果原有空间够大，就不用分配新的空间
		if(ptr)
			delete [] ptr;
		ptr = new int[a.size];
	}
	memcpy( ptr,a.ptr,sizeof(int)*a.size);
	size = a.size;
	return * this;
} 
void CArray::push_back(int v)
{ // 在数组尾部添加一个元素
	if( ptr) 
	{
		int * tmpPtr = new int[size+1]; // 重新分配空间
		memcpy(tmpPtr,ptr,sizeof(int)*size); // 拷贝原数组内容
		delete [] ptr;
		ptr = tmpPtr;
	}
	else // 数组本来是空的
		ptr = new int[1];
	ptr[size++] = v; // 加入新的数组元素
}

5、流插入运算符和流提取运算符的重载

  • cout 是在 iostream 中定义的，ostream 类 的对象。
  • “<<” 能用在cout 上是因为，在iostream里对 “<<” 进行了重载。 考虑，怎么重载才能使得cout << 5; 和cout << “this”都能成立 ？

因为语句cout<<5<<“this”；能成立，即<<能持续作用，既可作为右值也可作为左值，所以<<的返回值应该为ostream类的引用。
猜测代码如下：

ostream & ostream::operator<<(int n)
{
	…… // 输出n 的代码
	return * this;
}
ostream & ostream::operator<<(const char * s )
{
	…… // 输出s 的代码
	return * this;
}

cout << 5 << “this”;
本质上的函数调用的形式是什么？
cout.operator<<(5).operator<<(“this”);

当我们对一个类输出时，可对" << "重载:

ostream & operator<<( ostream & o,const String & s)
{
	o << s.ptr ;
	return o;
}

对" >> "也同样如此重载，需要访问类的私有成员时可重载为友元函数。

6、类型转换运算符的重载

需要类和内置类型互相转换时可用

#include <iostream>
using namespace std;
class Complex
{
	double real,imag;
public:
	Complex(double r=0,double i=0):real(r),imag(i) { };
	operator double () { return real; }
	//重载强制类型转换运算符 double
};
int main()
{
	Complex c(1.2,3.4);
	cout << (double)c << endl; //输出 1.2
	double n = 2 + c; //等价于 double n=2+c.operator double()
	cout << n; //输出 3.2
}

7、自增、自减运算符的重载

自增运算符++、自减运算符–有前置/后置之分，为了区分所重载的是前
置运算符还是后置运算符，C++规定：

前置运算符作为一元运算符重载
重载为成员函数：
T & operator++();
T & operator–();
重载为全局函数：
T1 & operator++(T2);
T1 & operator—(T2);

后置运算符作为二元运算符重载，多写一个没用的参数：
重载为成员函数：
T operator++(int);
T operator–(int);
重载为全局函数：
T1 operator++(T2,int );
T1 operator—( T2,int);

接下来为函数实现：

class CDemo 
{
	private :
		int n;
	public:
		CDemo(int i=0):n(i) { }
		CDemo & operator++(); // 用于前置形式
		CDemo operator++( int ); // 用于后置形式
		operator int ( ) { return n; }
		friend CDemo & operator--(CDemo & );
		friend CDemo operator--(CDemo & ,int);
}
CDemo & CDemo::operator++()
{ //前置 ++
	n ++;
	return * this;
} // ++s即为: s.operator++();

CDemo CDemo::operator++( int k )
{ 	//后置 ++
	CDemo tmp(*this); // 记录修改前的对象
	n ++;
	return tmp; // 返回修改前的对象
} 
CDemo & operator--(CDemo & d)
{	// 前置--
	d.n--;
	return d;
} //--s即为: operator--(s);
CDemo operator--(CDemo & d,int)
{	// 后置--
	CDemo tmp(d);
	d.n --;
	return tmp;
} //s--即为: operator--(s, 0);

类型转换函数重载
operator int ( ) { return n; }
这里int 作为一个类型强制转换运算符被重载, 此后
Demo s;
(int) s ; //等效于 s.int();

  • 类型强制转换运算符被重载时不能写返回值类型，实际上其返回值类型就是该类型强制转换运算符代表的类型

8、函数调用运算符重载

  • 函数调用运算符 () 也可以重载
  • 由于重载后使用的方式非常像函数的调用，因此称为仿函数
  • 仿函数没有固定写法，非常灵活
class MyPrint
{
public:
	void operator()(string text)
	{
		cout << text << endl;
	}
};
void test01()
{
	//重载的（）操作符 也称为仿函数
	MyPrint myFunc;
	myFunc("hello world");
}
class MyAdd
{
public:
	以上是关于C++从入门到入土第四篇：运算符重载的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 

 C++从入门到入土第十四篇：list的介绍与使用


 C++从入门到入土第八章：string类的使用


 C++从入门到入土第一篇：初识C++


 C++从入门到入土第十篇：string模拟实现


 c++师傅领进门，修行靠个人第四篇：你所不知道的那些默认成员函数


 C++从入门到入土第十八篇：多态