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【C++指南】运算符重载详解

article 2024/10/24 23:18:28

引言

C++ 提供了运算符重载这一特性，允许程序员为自定义类型（如类和结构体）定义运算符的行为。

通过运算符重载，可以使自定义类型对象像内置类型一样使用运算符，从而提高代码的可读性和易用性。

本文将详细介绍 C++ 中运算符重载的概念、语法、规则、注意事项以及实际应用。

引言

🍃运算符重载的概念

🍃运算符重载的语法

🍃可重载的运算符

🍃运算符重载的规则

🍃运算符重载的实现

🍃注意事项

🍃实际应用

示例代码

运算符重载的应用项目：日期类实现

结语

🍃运算符重载的概念

运算符重载是指为类（或结构体）的特定运算符提供自定义实现，使其能够作用于类的对象。重载的运算符可以保持其原有的语义，也可以定义新的语义。

C++规定类类型对象使⽤运算符时，必须转换成调⽤对应运算符重载，若没有对应的运算符重载，则会编译报错。

🍃运算符重载的语法

运算符重载通过成员函数或友元函数来实现。
运算符重载是具有特殊名字的函数，他的名字是由operator和后⾯要定义的运算符共同构成。
和其他函数⼀样，它也具有其返回类型和参数列表以及函数体。
如果⼀个重载运算符函数是成员函数，则它的第⼀个运算对象默认传给隐式的this指针，因此运算符重载作为成员函数时，参数比运算对象少⼀个

成员函数形式：

class MyClass {  
public:  
    MyClass operator+(const MyClass& other) const; // 重载加法运算符  
    // ... 其他成员 ...  
};

友元函数形式：

class MyClass {  
public:  
    friend MyClass operator+(const MyClass& lhs, const MyClass& rhs); // 声明友元函数  
    // ... 其他成员 ...  
};  
  
// 类外部定义友元函数  
MyClass operator+(const MyClass& lhs, const MyClass& rhs) {  
    // 实现加法运算  
}

🍃可重载的运算符

C++ 允许重载几乎所有的运算符，但有几个运算符不能重载： . .* :: ?: sizeof 和 typeid。这些运算符与对象的成员访问、类型信息获取等底层操作紧密相关，因此不允许重载。

🍃运算符重载的规则

不能改变运算符的优先级和结合性：重载的运算符仍然保持其原有的优先级和结合性。
不能改变运算符的操作数个数：例如，不能将一元运算符重载为二元运算符，反之亦然。
重载的运算符不能是新的类型：重载的运算符必须是 C++ 中已定义的运算符。
成员运算符函数不能有默认参数：重载的运算符函数不能有默认参数。

🍃运算符重载的实现

成员函数形式：当运算符重载为成员函数时，左侧操作数必须是该类的一个对象（或引用），而右侧操作数可以是任意类型（包括内置类型和该类类型）。
友元函数形式：当运算符重载为友元函数时，两个操作数可以是任意类型（包括内置类型和该类类型），这提供了更大的灵活性。

🍃注意事项

避免不必要的重载：只有当运算符的默认行为不适用于自定义类型时，才考虑重载。
保持语义一致性：重载的运算符应尽可能保持其原有的语义，以避免混淆。
注意异常安全性：在重载运算符时，要考虑到异常安全性，确保在异常发生时不会泄露资源或破坏对象状态。
实用性：⼀个类需要重载哪些运算符，是看哪些运算符重载后有意义
前置++与后置++：重载++运算符时，有前置++和后置++，运算符重载函数名都是operator++，无法很好的区分。 C++规定，后置++重载时，增加⼀个int形参，跟前置++构成函数重载，方便区分
重载>>和<<：需要重载为全局函数，因为重载为成员函数，this指针默认抢占了第⼀个形参位置，第⼀个形参位置是左侧运算对象，调⽤时就变成了对象<<cout，不符合语法和习惯。重载为全局函数把ostream/istream放到第⼀个形参位置就可以了，第⼆个形参位置当类类型对象

🍃实际应用

运算符重载在 C++ 中有着广泛的应用，例如：

复数类：可以重载加法、减法、乘法和除法等运算符，使复数对象能够像内置类型一样进行算术运算。
点类：可以重载加法运算符来表示点的平移，重载减法运算符来表示点的距离计算等。
字符串类：可以重载加法运算符来表示字符串的连接，重载比较运算符来表示字符串的大小比较等。

示例代码

以下是一个简单的复数类示例，展示了如何重载加法、减法和乘法运算符：

#include <iostream>  
  
class Complex {  
private:  
    double real;  
    double imag;  
  
public:  
    // 构造函数  
    Complex(double r = 0, double i = 0) : real(r), imag(i) {}  
  
    // 重载加法运算符  
    Complex operator+(const Complex& other) const {  
        return Complex(real + other.real, imag + other.imag);  
    }  
  
    // 重载减法运算符  
    Complex operator-(const Complex& other) const {  
        return Complex(real - other.real, imag - other.imag);  
    }  
  
    // 重载乘法运算符  
    Complex operator*(const Complex& other) const {  
        return Complex(real * other.real - imag * other.imag, real * other.imag + imag * other.real);  
    }  
  
    // 重载输出运算符  
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& c) {  
        os << c.real << " + " << c.imag << "i";  
        return os;  
    }  
};  
  
int main() {  
    Complex c1(1, 2);  
    Complex c2(3, 4);  
  
    Complex c3 = c1 + c2;  
    Complex c4 = c1 - c2;  
    Complex c5 = c1 * c2;  
  
    std::cout << "c1: " << c1 << std::endl;  
    std::cout << "c2: " << c2 << std::endl;  
    std::cout << "c1 + c2: " << c3 << std::endl;  
    std::cout << "c1 - c2: " << c4 << std::endl;  
    std::cout << "c1 * c2: " << c5 << std::endl;  
  
    return 0;  
}

在这个示例中，我们定义了一个 Complex 类来表示复数，并重载了加法、减法和乘法运算符，以及输出运算符。这样，我们就可以像使用内置类型一样使用 Complex 对象进行算术运算和输出。