C++教程:C++操作符的重載

2020-05-23 14:25:42

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在表達式中，我們常會用到各種操作符（運算符），例如1+3和4*2。然而，這些操作符只能用于C++內置的一些基本數據類型。如果我們自己編寫一個復數類，它也會有加減法的操作，那么它能否擺脫一串冗長的函數名，而享用加號呢？

在第六章我們學到過，函數是可以重載的，即同名函數針對不同數據類型的參數實現類似的功能。在C++中，操作符也是可以重載的，同一操作符對于不同的自定義數據類型可以進行不同的操作。

作為成員函數

在我們學習操作符重載前，我們先看看原先這個復數類是如何定義的：（程序16.3.1）
//complex.h
#include <iostream>
using namespace std;
class Complex//聲明一個復數類
{
public:
Complex(Complex &a);//拷貝構造函數
Complex(double r=0,double i=0);
void display();//輸出復數的值
void set(Complex &a);
Complex plus(Complex a);//復數的加法
Complex minus(Complex a); //復數的減法
Complex plus(double r); //復數與實數相加
Complex minus(double r); //復數與實數相減
private:
double real;//復數實部
double img;//復數虛部
};
Complex::Complex(Complex &a)
{
real=a.real;
img=a.img;
}
Complex::Complex(double r,double i)
{
real=r;
img=i;
}
void Complex::display()
{
cout <<real <<(img>=0?"+":"") <<img <<"i";//適合顯示1-3i等虛部為負值的復數
}
void Complex::set(Complex &a)
{
real=a.real;
img=a.img;
}
Complex Complex::plus(Complex a)
{
Complex temp(a.real+real,a.img+img);
return temp;
}
Complex Complex::minus(Complex a)
{
Complex temp(real-a.real,img-a.img);
return temp;
}
Complex Complex::plus(double r)
{
Complex temp(real+r,img);
return temp;
}
Complex Complex::minus(double r)
{
Complex temp(real-r,img);
return temp;
}

//main.cpp
#include "complex.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
Complex a(3,2),b(5,4),temp;
temp.set(a.plus(b));//temp=a+b
temp.display();
cout <<endl;
temp.set(a.minus(b));//temp=a-b
temp.display();
cout <<endl;
return 0;
}
運行結果：
8+6i
-2-2i

雖然程序16.3.1已經實現了復數的加減法，但是其表達形式極為麻煩，如果有復數a、b、c和d，要計算a+b-（c+d)將會變得非常復雜。如果不是調用函數，而是使用操作符的話，就會直觀得多了。

聲明一個操作符重載的語句格式為：
返回值類型operator 操作符（參數表）；

事實上，在聲明和定義操作符重載的時候，我們可以將其看作函數了，只不過這個函數名是一些操作符。在聲明和定義操作符重載時需要注意以下幾點：

操作符只能是C++中存在的一些操作符，自己編造的操作符是不能參與操作符重載的。另外，“::”（域解析操作符）、“.”（成員操作符）、“……？……：……”（條件操作符）和sizeof等操作符不允許重載。
參數表中羅列的是操作符的各個操作數。重載后操作數的個數應該與原來相同。不過如果操作符作為成員函數，則調用者本身是一個操作數，故而參數表中會減少一個操作數。（請對比程序16.3.2與程序16.3.3）
各個操作數至少要有一個是自定義類型的數據，如結構或類。
盡量不要混亂操作符的含義。如果把加號用在減法上，會使程序的可讀性大大下降。

下面我們把操作符作為成員函數，來實現復數的加減法：（程序16.3.2）
//complex.h
#include <iostream>
using namespace std;
class Complex//聲明一個復數類
{
public:
Complex(Complex &a);
Complex(double r=0,double i=0);
void display();
void operator =(Complex a);//賦值操作
Complex operator +(Complex a);//加法操作
Complex operator -(Complex a);//減法操作
Complex operator +(double r);//加法操作
Complex operator -(double r);//減法操作
private:
double real;
double img;
};
//未定義的函數與程序16.3.1相同
void Complex::operator =(Complex a)
{
real=a.real;
img=a.img;
}
Complex Complex::operator +(Complex a)
{
Complex temp(a.real+real,a.img+img);
return temp;
}
Complex Complex::operator -(Complex a)
{
Complex temp(real-a.real,img-a.img);
return temp;
}
Complex Complex::operator +(double r)
{
Complex temp(real+r,img);
return temp;
}
Complex Complex::operator -(double r)
{
Complex temp(real-r,img);
return temp;
}
//main.cpp
#include "complex.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
Complex a(3,2),b(5,4),c(1,1),d(4,2),temp;
temp=a+b;//這樣的復數加法看上去很直觀
temp.display();
cout <<endl;
temp=a-b;
temp.display();
cout <<endl;
temp=a+b-(c+d);//可以和括號一起使用了
temp.display();
cout <<endl;
return 0;
}

運行結果：
8+6i
-2-2i
3+3i
以上程序的main.cpp中，復數的加法表達得非常簡潔易懂，與程序16.3.1相比有了很大的進步。并且，我們發現使用了括號以后，可以更方便地描述各種復雜的運算。操作符在重載之后，結合性和優先級是不會發生變化的，符合用戶本來的使用習慣。

作為友元

前面我們把操作符作為成員函數，實現了復數的加減法。如果我們把操作符作為普通的函數重載，則需要將其聲明為友元。這時，參數表中的操作數個數應該與操作符原來要求的操作數個數相同。

下面我們來看一下，用友元和操作符重載來實現復數的加減法：（程序16.3.3）
//complex.h
#include <iostream.h>//由于VC編譯器存在問題，這里使用標準的寫法居然無法通過編譯
class Complex
{
public:
Complex(Complex &a);
Complex(double r=0,double i=0);
void display();
friend Complex operator +(Complex a,Complex b);//作為友元
friend Complex operator -(Complex a,Complex b);
friend Complex operator +(Complex a,double r);
friend Complex operator -(Complex a,double r);
private:
double real;
double img;
};
//未定義的函數與程序16.3.1相同
Complex operator +(Complex a,Complex b)
{
Complex temp(a.real+b.real,a.img+b.img);
return temp;
}
Complex operator -(Complex a,Complex b)
{
Complex temp(a.real-b.real,a.img-b.img);
return temp;
}
Complex operator +(Complex a,double r)
{
Complex temp(a.real+r,a.img);
return temp;
}
Complex operator -(Complex a,double r)
{
Complex temp(a.real-r,a.img);
return temp;
}
//main.cpp
#include "complex.h"
#include <iostream.h>//由于VC編譯器存在問題，這里使用標準的寫法無法通過編譯
int main()
{
Complex a(3,2),b(5,4),c(1,1),d(4,2),temp;
temp=a+b;
temp.display();
cout <<endl;
temp=a-b;
temp.display();
cout <<endl;
temp=a+b-(c+d);
temp.display();
cout <<endl;
return 0;
}

運行結果：
8+6i
-2-2i
3+3i

在上面這個程序中，加號和減號操作符由成員函數變成了友元函數。細心的讀者可能注意到了，那個賦值操作符的定義跑哪兒去了？

事實上，賦值操作符有點類似于默認拷貝構造函數，也具有默認的對象賦值功能。所以即使沒有對它進行重載，也能使用它對對象作賦值操作。但是如果要對賦值操作符進行重載，則必須將其作為一個成員函數，否則程序將無法通過編譯。

在操作符重載中，友元的優勢盡顯無遺。特別是當操作數為幾個不同類的對象時，友元不失為一種良好的解決辦法。

又見加加和減減

在第五章我們學習了增減量操作符，并且知道它們有前后之分。那么增減量操作符是如何重載的呢？同樣是一個操作數，它又是如何區分前增量和后增量的呢？

前增量操作符是“先增后賦”，在操作符重載中我們理解為先做自增，然后把操作數本身返回。后增量操作符是“先賦后增”，在這里我們理解為先把操作數的值返回，然后操作數自增。所以，前增量操作返回的是操作數本身，而后增量操作返回的只是一個臨時的值。

在C++中，為了區分前增量操作符和后增量操作符的重載，規定后增量操作符多一個整型參數。這個參數僅僅是用于區分前增量和后增量操作符，不參與到實際運算中去。

下面我們就來看看，如何重載增量操作符：（程序16.3.4）
//complex.h
#include <iostream.h>//由于VC編譯器存在問題，這里使用標準的寫法無法通過編譯
class Complex
{
public:
Complex(Complex &a);
Complex(double r=0,double i=0);
void display();
friend Complex operator +(Complex a,Complex b);
friend Complex operator -(Complex a,Complex b);
friend Complex operator +(Complex a,double r);
friend Complex operator -(Complex a,double r);
friend Complex& operator ++(Complex &a);//前增量操作符重載
friend Complex operator ++(Complex &a,int); //后增量操作符重載
private:
double real;
double img;
};
//未定義的函數與程序16.3.3相同
Complex& operator ++(Complex &a)
{
a.img++;
a.real++;
return a;//返回類型為Complex的引用，即返回操作數a本身
}
Complex operator ++(Complex &a,int)//第二個整型參數表示這是后增量操作符
{
Complex temp(a);
a.img++;
a.real++;
return temp;//返回一個臨時的值
}
//main.cpp
#include "complex.h"
#include <iostream.h>//由于VC編譯器存在問題，這里使用標準的寫法無法通過編譯
int main()
{
Complex a(2,2),b(2,4),temp;
temp=(a++)+b;
temp.display();
cout <<endl;
temp=b-(++a);
temp.display();
cout <<endl;
a.display();
cout <<endl;
return 0;
}

運行結果：
4+6i
-2+0i
4+4i

根據運行結果，可以看到a++和++a被區分開來了。而調用后增量操作符的時候，操作數仍然只有一個，與那個用于區分的整型參數無關。

至此，我們已經學完了類的一些基本特性和要素。在接下來的章節中，我們要更深入地發掘面向對象程序設計的優勢。

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