[技术]浅谈重载操作符

Posted 2020-10-01 Mafia

前言

重载操作符可以成为强有力的工具，但不可抛弃与客户的契约而滥用，那样只会让程序更难让人理解。

——《c++面向对象高效编程》

背景

XXX：诶，你快过来

博主：蛤蛤蛤？怎么了？

XXX：你教教我那个星号，不是，乘号怎么打啊

博主：乘号怎么打是什么意思啊 喵喵喵

XXX：就是可以让这两个矩阵乘起来啊

博主：。。。你不会是在说重载吧

XXX：对啊= =

博主：等我给你写完this，就来写重载

基本介绍&引入

照例引度娘：

操作符重载，计算机科学概念，就是把已经定义的、有一定功能的操作符进行重新定义，来完成更为细致具体的运算等功能。操作符重载可以将概括性的抽象操作符具体化，便于外部调用而无需知晓内部具体运算过程。

先举个栗子例子：

int a,b,c;
a=2333;
b=666;
c=a*b;

这段代码的意思十分明显，就是声明了两个变量a和b，a赋值为2333，b赋值为666，c赋值为a*b，即1553778。

重要的是，int类型是语言精妙的定义实现过的内置数据类型，我们一写a*b，语言就会很好的计算出它正确的值（你要是爆了int当我没说），但是，假如我们把int换个类型呢？语言还能否正确的计算出我们想要得到的结果呢？

我们打下这样的代码：

struct matrix{
    int data[100][100];
}a,b;
int main(){
    matrix c;
    c=a*b;
}

然后试着编译一下，就会出现：

显然，这样是不行的，那么，我们是否有办法像使用int一样使用我们自己定义的结构体matrix呢？

基本操作

我们继续分析上面的编译信息，显然，编译器正在寻找一个叫\'operator*\'的东西，这个东西是什么呢？

显然就是我们今天要讲的主题——重载操作符。

operator，关键字，语法：

返回类型 operator 操作符 (参数列表){}

比如说，上面我们想要实现的那个矩阵乘，就可以像这样子实现：

struct matrix{
    int data[2][2];
    matrix operator*(const matrix &a){
        matrix tmp;
        for(int i=0;i<2;i++)
            for(int j=0;j<2;j++){
                tmp.data[i][j]=0;
                for(int k=0;k<2;k++)
                    tmp.data[i][j]+=data[i][k]*a.data[k][j];
            }
　　　　 return tmp;
　　}
};

这样我们再写两个matrix相乘，就可以开心地通过编译啦。

我们看到了乘号的重载，那么同样的，我们也可以重载加号，减号，赋值运算符。。。

事实上，除了 .   .*   ::  ?:  sizeof  typeid  这几个运算符不能被重载，其他运算符都能被重载。

那么，有了*，自然可以有*=，而*=的实现完全可以依靠*的实现

matrix operator*=(const matrix &a){
    *this=*this*a;
    return *this;
}

其中，*this为调用该函数（重载操作符其实就是以操作符为函数名的函数）的对象，更多有关this指针的用法可以参考我的上一篇博文

如何定义与使用

我们刚才已经见到了一种定义方法——将重载函数声明为成员函数，那么，还有其他定义重载的方法吗？

当然有。

我们完全可以把运算符重载函数声明为非成员函数，而此时使用最多的是友元函数。

举个栗子例子：

struct point{
    double x,y;
    inline friend bool operator<(const point &a,const point &b){
        return a.x==b.x?a.y<b.y:a.x<b.x;
    }
};
inline point operator-(const point &a,const point &b){
        return (point){a.x-b.x,a.y-b.y};
}

 

显然，在这里，一个运算符重载函数被声明为了（非成员）友元函数，另一个则是非成员函数。

进阶

现在，我们已经可以进行简单的重载了，但是，还有一些需要注意的特殊操作符

++

自加操作符

我们知道，自加操作符有前置与后置两种用法，区别如下：

int a,b,c,d;
a=2333;
b=2333;
c=a++;//运行完后，a为2334，c为2333
d=++b;//运行完后，b和d都为2334

那么显然这两种操作是不一样的（令人窒息的操作）。那么如何进行这两种重载呢？

前置：返回值类型& operator++()

后置：返回值类型& operator++(int)

 注意，为了区分前置++与后置++的区别，需要在参数后增加一个"int"以示区分。含有"int"的重载方式为后置++，否则为前置++。前置--与后置--类似用法。

举个栗子例子：

struct Int{
    int data;
    Int& operator++();//前置
    Int& operator++(int);//后置
};

实现就可以根据自己需要进行了。

流输入输出>>与<<

我们知道，想输入输出一个int，是十分简单的事，比如：

int a;
cin>>a;
a+=666;
a*=2333;
cout<<a;

但是，假如我们写下这个呢？

struct matrix{
    blabla...
}a;
int main(){
    cout<<a;
}

显然是不可以的，所以我们需要重载。

这里，我们不是要重载matrix的什么，而是重载istream&ostream里的某些东西。

我们知道，cin是输入流对象，cout是输出流对象，所以我们要重载的对象是cin的>>与cout的<<

以matrix（矩阵）为例，我一般的写法是：

struct matrix{
    int data[100][100];
};
istream& operator>>(istream &in,matrix &x){
    for(int i=0;i<100;i++)
        for(int j=0;j<100;j++)
            in>>x.data[i][j];
    return in;
}
ostream& operator<<(ostream &out,matrix &x){
    for(int i=0;i<100;i++){
        for(int j=0;j<100;j++)
            out<<x.data[i][j]<<\' \';
        out<<endl;
    }
    return out;
}

这样就很健康啦

WARNING

有约定需要注意：

流对象不允许复制，所以只能返回引用

原理

事实上，我们在写

struct Int{
　　blabla...
}
Int a,b,c;
a=2333;
b=666;
c=a+b;

实际上是调用了

c=a.operator+(b);

我们完全可以把它看做一个函数，不过是函数名有些特殊罢了。

原则

1. 并不是所有的操作符都能被重载。除了. ，.* ，：： ，? : ，sizeof，typeid这几个运算符不能被重载，其他运算符都能被重载
2. 重载不能改变该运算符用于内置类型时的函义，程序员不能改变运算符+用于两个int型时的含义。
3. 运算符函数的参数至少有一个必须是类的对象或者类的对象的引用。这种规定可以防止程序员运用运算符改变内置类型的函义。
4. 重载不能改变运算符的优先级。
5. 重载不能改变运算符的结合律。
6. 重载不能改变运算符操作数的个数。比如+需要两个操作数，则重载的+也必须要有两个操作数。

还有一个很重要的原则

不可改变操作符固有的含义，要保留与客户之间约定的契约，如果你将+重载为减法或是乘法，这会使你的程序更加令人费解

总结

重载操作符是一个强大的工具，运用好重载，可以使你的代码更简洁，明白。