C++学习笔记-operator关键字：重载与自定义操作符

在C++编程中，operator关键字扮演着极其重要且独特的角色。它允许开发者为内置类型或自定义类型重载或定义新的操作符行为。这一特性极大地增强了C++的表达能力，使得代码更加直观、易于理解和维护。本文将深入探讨C++中operator关键字的使用，包括操作符重载和自定义操作符的基本概念、语法、使用场景以及注意事项。

一、操作符重载定义（Operator Overloading）

1.1 基本概念

操作符重载是C++语言的一个特性，它允许你重新定义或“重载”已存在的操作符（如+、-、*、/等）在特定类型上的行为。这意呀着，你可以为自定义类型（如类）定义这些操作符如何工作，使得它们能够像内置类型那样进行算术运算或逻辑操作。

1.2 误区

需要注意的是，C++并不支持真正意义上的“自定义操作符”，即你不能创造全新的、从未在C++中定义过的操作符符号。然而，你可以通过重载现有的操作符来赋予它们新的意义，这在一定程度上实现了类似自定义操作符的效果。

二、操作符重载实现

2.1 重载规则

在C++中，不是所有的操作符都可以被重载。以下是一些可以重载的操作符列表（注意，这里只列出了部分常用操作符，完整列表请参考C++标准）：

算术操作符：+、-、*、/、%、++、–
关系操作符：==、!=、<、<=、>、>=
逻辑操作符：!、&&、||（但通常不建议重载这些操作符，因为它们的行为与短路评估紧密相关）
位操作符：&、|、^、~、<<、>>
赋值操作符：=、+=、-=、*=、/=、%=、&=、|=、^=、<<=、>>=
其他操作符：()（函数调用）、[]（下标）、->*（指向成员的指针运算符）、new和delete（虽然这些操作符通常不被重载，但了解它们的存在是有益的）

此外，还有一些操作符是不能被重载的，如.（成员访问操作符）、::（作用域解析操作符）、sizeof（获取对象或类型大小）、typeid（获取类型的类型信息）等。

2.2 重载方式

操作符重载可以通过成员函数或友元函数来实现。选择哪种方式取决于操作符需要访问的类成员以及操作符的预期行为。

成员函数重载：当操作符需要一个操作数（通常是左侧操作数）作为类的一个对象时，通常使用成员函数重载。例如，重载+操作符以实现两个自定义类型对象的加法时，如果加号左侧的对象是自定义类型的实例，则可以将+操作符重载为成员函数。
友元函数重载：当操作符需要访问类的私有或保护成员，或者当两个操作数都是自定义类型时，通常使用友元函数重载。友元函数不是类的成员函数，但它可以访问类的私有和保护成员。因此，它提供了一种灵活的方式来重载需要访问类内部状态的操作符。

2.3注意事项

不要重载所有操作符：只重载那些对类有意义的操作符，避免造成混淆。
保持操作符的语义：尽量保持操作符的直观性和原有语义，避免误导使用者。
避免重载&&、||和,：这些操作符的短路行为在重载时可能难以正确实现，且容易引发错误。
成员函数与友元函数的选择：根据操作数的类型和操作符的语义来选择合适的重载方式。

2.4 语法示例

以下是一个简单的示例，展示了如何为自定义的Complex类重载+操作符：

#include <iostream>  class Complex {  
public:  double real, imag;  // 构造函数  Complex(double r = 0.0, double i = 0.0) : real(r), imag(i) {}  // 成员函数重载+操作符  // 注意：这里我们返回了一个Complex对象的副本  Complex operator+(const Complex& rhs) const {  return Complex(real + rhs.real, imag + rhs.imag);  }  // 声明友元函数来重载<<操作符  friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& c);  
};  // 定义友元函数来重载<<操作符  
// 注意：这个函数不是Complex类的成员函数  
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& c) {  os << c.real << (c.imag >= 0 ? "+" : "") << c.imag << "i";  // 如果imag为负，则不打印加号  return os; // 返回ostream对象以支持链式调用  
}  int main() {  Complex c1(1, 2);  Complex c2(3, 4);  // 使用重载的+操作符  Complex c3 = c1 + c2;  // 使用重载的<<操作符输出复数  std::cout << "c1 + c2 = " << c3 << std::endl;  return 0;  
}

代码中在自定义一个Complex（复数）类，成员变量有real（实部）和imag（虚部）。然后，我们为这个类重载了+操作符，使其能够接受另一个Complex对象作为参数，并返回一个新的Complex对象，该对象包含了两个复数相加的结果。

接下来，我们声明了operator<<作为Complex类的友元函数，并在类定义外部对其进行了定义。这个函数接受一个std::ostream引用和一个const Complex&引用作为参数，将复数以“实部+虚部i”的格式输出到流中（如果虚部为正，则输出加号；如果虚部为负，则不输出加号），并返回std::ostream对象的引用以支持链式调用。

在main函数中，我们创建了两个Complex对象c1和c2，使用重载的+操作符将它们相加，得到结果c3，然后使用重载的<<操作符将c3输出到控制台。输出结果如下：
在这里插入图片描述