C++核心编程——运算符重载

C++核心编程——运算符重载

  • 运算符重载的方法
  • 运算符重载函数作成员函数与友元函数
  • 重载双目运算符
  • 重载单目运算符
  • 重载流插入运算符和"<<"和流提取运算符">>"
    • 重载流插入运算符和"<<"
    • 流提取运算符">>"

运算符重载的方法

运算符重载的方法是定义一个重载运算符的函数，使指定运算符不能能实现原有的功能，还能实现在函数中指定新的功能。运算符重载的实质是函数的重载。
重载运算符的函数一般格式如下：
函数类型 operator 运算符名称（形参表）
{ 对运算符的重载处理 }
在这里插入图片描述
典例：对运算符 “+” 实现重载，使之能用于两个复数相加。

#include <iostream>
using namespace std;
class Complex{
public:Complex(){real=0;imag=0;}//自定义有参构造 无参构造不再提供，若要用，需要自定义 Complex(int, int);Complex operator+(Complex &c);void display();private:int real;int imag;
};Complex::Complex(int real, int imag)
{this->real = real;this->imag = imag;
}Complex Complex::operator+(Complex &c)
{Complex tempc;tempc.real = real + c.real;tempc.imag = imag + c.imag;return tempc;
}
void Complex::display()
{cout << "(" << real << "," << imag << "i)" << endl;
}
int main()
{Complex c1(3,4);Complex c2(5,-10);Complex c3;c3 = c1 + c2; 	//相当于：c3 = c1.operator+(c2); cout << "c1=";		c1.display();cout << "c2=";		c2.display();cout << "c1+c2=";	c3.display();return 0;
}

说明：

  • 自定义有参构造函数，则无参构造不再提供，若要用，需要重新自定义
  • 程序 c3 = c1 + c2 相当于 c3 = c1.operator+(c2); ，使用运算符重载能使用户程序易于编写，阅读和维护。

运算符重载函数作成员函数与友元函数

在这里插入图片描述
如果将运算符重载函数作为成员函数，它可以通过this指针自由地访问本类的数据成员，因此可以少写一个函数的参数。 但必须要求运算表达式(如c1+c2)中第1个参数即运算符左侧的操作数)是一个类对象，而且与运算符函数的类型相同。因为必须通过类的对象去调用该类的成员函数,而且只有运算符重载函数返回值与该对象同类型,运算结果才有意义。

  • 如果想要计算复数+整数，如c1+i，需要重新重载运算符
    Complex Complex::operator+(int i)
{Complex tempc;tempc.real = real + i;tempc.imag = imag;return tempc;
}
  • 如果想要计算整数+复数，如i+c1， 则第一个参数不是类对象，必须使用友元函数重载运算符。
    Complex operator+(int i, Complex &c)
{Complex tempc;tempc.real = i + c.real;tempc.imag = c.imag;return tempc;
}
  • 一般将双目运算符重载为友元函数
    Complex operator+(Complex &c1, Complex &c2)
{Complex tempc;tempc.real = c1.real + c2.real;tempc.imag = c1.imag + c2.imag;return tempc;
}

从原则上讲，要尽量将重载运算符函数作为成员函数，但还因考虑其他各方因素和习惯，以下方式可供参考：
（1）C++规定，赋值运算符“=”、下标运算符“[]”、函数调用运算符“()”、成员运算符“->”、必须作为成员函数重载。
（2）流插人“<<”和流提取运算符“>>”类型转换运算符函数不能定义为类的成员函数，只能作为友元函数。
（3）一般将单目运算符和复合运算符( +=，-=，/=，*=，&=，!=，^=，%=，>>=，<<=)重载为成员函数。
（4）一般将双目运算符重载为友元函数

完整代码（可供参考）

#include <iostream>
using namespace std;
class Complex{
public:Complex(){real=0;imag=0;}Complex(int, int);Complex::operator+(int i);friend operator+(int i, Complex &c);friend Complex operator+(Complex &c1, Complex &c2);void display();private:int real;int imag;
};//构造函数 
Complex::Complex(int real, int imag)
{this->real = real;this->imag = imag;
}//复数+整数 
Complex Complex::operator+(int i)
{Complex tempc;tempc.real = real + i;tempc.imag = imag;return tempc;
}//整数 +复数 
Complex operator+(int i, Complex &c)
{Complex tempc;tempc.real = i + c.real;tempc.imag = c.imag;return tempc;
}
//复数+复数 一般情况下双目运算符重载为友元函数 
Complex operator+(Complex &c1, Complex &c2)
{Complex tempc;tempc.real = c1.real + c2.real;tempc.imag = c1.imag + c2.imag;return tempc;
}void Complex::display()
{cout << "(" << real << "," << imag << "i)" << endl;
}int main()
{Complex c1(3,4);Complex c2(5,-10);Complex c3,c4,c5;c3 = c1 + c2; 	//相当于：c3 = c1.operator+(c2); c4 = c1 + 4;c5 = 5 + c2;cout << "c1=";		c1.display();cout << "c2=";		c2.display();cout << "c1+c2=";	c3.display();cout << "c1+4=";	c4.display();cout << "5+c2=";	c5.display();return 0;
}

重载双目运算符

双目运算符是C++中最常见的运算符，双目运算符有两个操作数，通常在运算符的左右侧，重载函数应该有两个参数，也通常设置为友元函数作为运算符重载函数。
典例：声明一个字符串类String，用来存放不定长的字符串，重载运算符“==”和“>”，用于两个字符串的等于、小于和大于的比较运算。
为了程序的设计了与便于理解，程序设计分步骤编写。
1. 先建立一个String类

#include <iostream>
#include <string.h>using namespace std;
class String{
public://构造及打印函数 String(){p=NULL;}		//无参构造 String(char *str){p=str;}	//有参构造 void display(){cout << p << endl;}	//打印字符串 	
private:char *p;
};int main()
{//测试代码 String str1("Hello"),str2("world");str1.display();str2.display();return 0;
}

2. 重载运算符>
通过全局函数作类友元的方式重载运算符>，其重载函数实现体如下所示。

bool operator>(String &str1, String &str2)
{if(strcmp(str1.p,str2.p)>0)return true;elsereturn false; 
}

这只是一个并不很完善的程序，但是，已经完成实质性的工作了，运算符重载成功了。既然对运算符“>”的重载成功了，其他两个运算符的重载如法炮制即可
3. 重载其他运算符

  • 重载运算符“<”

    重载运算符< 
bool operator<(String &str1, String &str2)
{if(strcmp(str1.p,str2.p)<0)return true;elsereturn false; 
}

  • 重载运算符“==”

    //重载运算符= 
bool operator==(String &str1, String &str2)
{if(strcmp(str1.p,str2.p)==0)return true;elsereturn false; 
}

  • 同时记得将上述三个重载函数声明为类的友元函数：

    //运算符重载函数 
friend bool operator>(String &str1, String &str2);
friend bool operator<(String &str1, String &str2);	
friend bool operator==(String &str1, String &str2);

  • 测试代码：

    int main()
{//测试代码 String str1("Hello"),str2("world");cout << (str1>str2) << endl; cout << (str1<str2) << endl; cout << (str1==str2) << endl; return 0;
}

  • 测试结果

    0
    1
    0

4. 修饰完善，优化输出

//封装比较函数 优化输出
void compare(String &str1, String &str2)
{if((str1 > str2)==1){str1.display();	cout << " > ";	str2.display();}else if ((str1 < str2)==1){str1.display(); cout << " < ";	str2.display(); }	else{str1.display(); cout << " = ";	str2.display();}	
}

增加了一个compare函数用来对两个字符串进行比较，并输出相应的信息。这样可以减轻主函数的负担，同时使主函数简明易读。
先搭框架、逐步扩充、由简到繁、最后完善。边编程、边调试、边扩充。
完整参考程序：

#include <iostream>
#include <string.h>using namespace std;
class String{
public://构造及打印函数 String(){p=NULL;}			//无参构造 String(char *str){p=str;}	//有参构造 void display(){cout << p;}	//打印字符串//运算符重载函数 friend bool operator>(String &str1, String &str2);friend bool operator<(String &str1, String &str2);	friend bool operator==(String &str1, String &str2);	private:char *p;
};void compare(String &str1, String &str2)
{if((str1 > str2)==1){str1.display();	cout << " > ";	str2.display();}else if ((str1 < str2)==1){str1.display(); cout << " < ";	str2.display(); }	else{str1.display(); cout << " = ";	str2.display();}	
}int main()
{//测试代码 String str1("hello"),str2("world");compare(str1,str2);return 0;
} //重载运算符> 
bool operator>(String &str1, String &str2)
{if(strcmp(str1.p,str2.p)>0)return true;elsereturn false; 
}重载运算符< 
bool operator<(String &str1, String &str2)
{if(strcmp(str1.p,str2.p)<0)return true;elsereturn false; 
}//重载运算符= 
bool operator==(String &str1, String &str2)
{if(strcmp(str1.p,str2.p)==0)return true;elsereturn false; 
}

重载单目运算符

重载单目运算符与重载双目运算符相似，但由于单目运算符只有一个操作数，因此单目运算符重载函数只有一个参数，如果运算符重载函数作为成员函数，则还可省略此参数。

典例：以自增运算符++为例，设计一个Time类，含数据成员minute(分)和sec(秒)，模拟秒表，每次走1秒，满60秒进1分钟，此时秒又从0起算。要求输出分和秒的值。

#include <iostream>
#include <string.h>using namespace std;
class Time{
public://构造及打印函数 Time(){min=0;sec=0;}Time(int,int);void display();//运算符重载Time operator++();private:int min;int sec;
};//构造函数 
Time::Time(int min, int sec)
{this->min = min;this->sec = sec;
}
//运算符重载 
Time Time::operator++()
{sec++;if(sec>=60){min++;sec=0;}return *this;	
}
//打印时间	
void Time::display()
{cout << min << ":" << sec << endl;
}int main()
{int i;Time time1(34,12);for(i=0;i<61;i++){++time1;time1.display();}return 0;
}

程序对运算符“++”进行了重载，使它能用于Time类对象。
但问题是：“++”和“–”运算符有两种使用方式，前置自增运算符和后置自增运算符，它们的作用是不一样的，在重载时怎样区别这二者呢?
针对“++”和“–”这一特点，C++约定：在自增(自减)运算符重载函数中增加一个int型形参就是后置自增(自减)运算符函数。
在上述程序的基础上增加对后置自增运算符的重载。

  • ++运算符重载后置 重载函数
    //运算符重载 ++ 后置 
Time Time::operator++(int)
{//建立临时对象 temp 并读取当前值 Time temp(*this);	sec++;if(sec>=60){min++;sec=0;}return temp;	
}
  • 主函数程序程序
    int main()
{int i;Time time1(34,12);Time time2;time2=time1++;cout << "time2=tim1++: time1=";	time1.display();	cout << "  time2=";	time2.display();return 0;
}

重载后置自增运算符时，多了一个int型的参数，增加这个参数只是为了与前置自增运算符重载函数有所区别，此外没有任何作用。在定义函数时也不必使用此参数因此可省写参数名，只须在括号中写int 即可。

重载流插入运算符和"<<“和流提取运算符”>>"

如果想用输出和输入自已声明的类型的数据，必须对它们重载。
对"<<“和”>>"重载的函数形式如下：
ostream & operator<<(ostream &, 自定义类 &)
istream & operator>>(istream &, 自定义类 &)
重载“>>”和“<<”的函数只能作为友元函数，不能将他们定义为成员函数

重载流插入运算符和"<<"

典例：在上述代码的基础上，重载输出运算符“<<”输出复数

#include <iostream>
#include <string.h>using namespace std;
class Complex{
public://构造及打印函数 Complex(){real=0;imag=0;}					//无参构造 Complex(double i,double j){real=i;imag=j;}	//有参构造 Complex operator+(Complex &);				//+号运算符重载 friend ostream &operator<<(ostream &output, Complex &c);	//重载coutprivate:double real;double imag;
};Complex Complex::operator+(Complex &c)
{Complex temp;temp.real = real + c.real;temp.imag = imag + c.imag;return temp;
} ostream &operator<<(ostream &output, Complex &c)
{output << "(" << c.real << "," << c.imag << "i)";return output;
}int main()
{//测试代码 Complex c1(1.2, 2.3);Complex c2(0.8, 2.7);Complex c3;c3 = c1 + c2;cout << c1 << "+" << c2 << "=" << c3;return 0;
}

程序中重载了运算符“<<”运算符重载函数“operator<<”中的形参output是ostream类对象的引用，形参名output是用户任意起的。
　　运算符“<<”的左面是cout，前面已提到cout是在头文件iostream中声明的ostream类对象。“<<”的右面是c3,它是Complex类对象。由于已将运算符“<<”的重载函数声明为Complex类的友元函数编译系统把cout<<c3解释为：
　　operator<<(cout, c1)
即以cout和c1作为实参调用下面的“operator<<”函数:

ostream &operator<<(ostream &output, Complex &c)
{output << "(" << c.real << "+" << c.imag << "i)";return output;
}

调用函数时，形参output成为实参cout的引用，形参c成为c1的引用。因此调用函数的过程相当于执行

cout<< "(" << c1.real << "," << c1.imag << "i)";

return output的作用：
　　连续向输出流插入信息，output是ostream类的对象的引用，因此return output就是return cout.

流提取运算符">>"

  • >>运算符重载函数
    istream &operator>>(istream &input, Complex &c) 
{input >> c.real >> c.imag;return input;
}
    函数的返回值仍然为输入流的引用，第一个参数为输入流的引用，第二个参数为复数的引用，当调用以下函数时，第一个参数被赋值为cin的引用，第二个参数被赋值为c1的引用，程序就相当于执行cin >> c1.real >> c1.imag，执行完毕后返回istream的引用，使得能够继续连续输入c2.
  • 函数的调用
    cin >> c1 >> c2;	//其中c1，c2代表2个复数

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