C++11QT复习 （四）

Day6-1 输入输出流运算符重载（2025.03.25）

1. 拷贝构造函数的调用时机
2. 友元2.1 友元函数
3. 输入输出流运算符重载3.1 关键知识点3.2 代码3.3 关键问题3.4 完整代码
4. 下标访问运算符 `operator[]`4.1 关键知识点4.2 代码
5. 函数调用运算符 `operator()`5.1 关键知识点5.2 代码5.3 示例5.4 完整代码
6. 总结

1. 回顾

1.1 拷贝构造函数的调用时机

拷贝构造函数在以下情况会被调用：

  1. 对象初始化

    • 当用一个已经存在的对象去初始化一个刚刚创建的对象时，调用拷贝构造函数。
    • 例：
      Complex c1(1, 2);
Complex c2 = c1; // 调用拷贝构造函数

  2. 函数参数传递

    • 当形参与实参都是对象时，在函数调用时会调用拷贝构造函数。
    • 例：
      void func(Complex c) { }
func(c1); // 形参与实参结合时调用拷贝构造函数

  3. 函数返回对象

    • 当函数返回一个对象时，可能调用拷贝构造函数（但现代 C++ 编译器会尝试优化此过程，如返回值优化 RVO）。
    • 例：
      Complex func() {Complex c(3, 4);return c; // 可能调用拷贝构造函数
}

2. 友元

2.1 友元函数
  • 友元函数可以访问类的私有成员。
  • 友元声明可以出现在类的 public、protected 或 private 部分，不影响其权限。
  • 友元关系是单向的、不可传递的：
    • 单向：如果 A 是 B 的友元，B 并不会自动成为 A 的友元。
    • 不可传递：如果 A 是 B 的友元，B 是 C 的友元，A 并不会自动成为 C 的友元。

3. 输入输出流运算符重载

3.1 关键知识点

  1. operator<< 必须是友元函数

    • 由于 cout << c1; 左操作数是 std::ostream，不能修改 std::ostream，所以 operator<< 不能是 Complex 的成员函数。

  2. operator>> 不能是 const 成员函数

    • 因为 operator>> 需要修改对象的值，因此不能加 const。
3.2 代码
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& rhs) {if (rhs._imag > 0) {os << rhs._real << " + " << rhs._imag << "i";} else if (rhs._imag == 0) {os << rhs._real;} else {os << rhs._real << " - " << -rhs._imag << "i";}return os;
}std::istream& operator>>(std::istream& is, Complex& rhs) {std::cout << "请输入复数的实部和虚部：" << std::endl;is >> rhs._real >> rhs._imag;return is;
}
3.3 关键问题

  • 为什么 operator<< 和 operator>> 的返回值是 std::ostream& 和 std::istream& ？

    • 这样可以实现连续输入输出：
      cout << c1 << c2 << endl;  // 连续输出
cin >> c1 >> c2;           // 连续输入

  • 为什么 operator<< 的 ostream& 参数不能去掉 & ？

    • 因为 ostream 的拷贝构造函数已被 delete，不能复制 ostream 对象。
3.4 完整代码
#include <iostream>
#include <limits.h>
#include <ostream>using namespace std;//复数
class Complex
{friend Complex operator*(const Complex& lhs, const Complex& rhs);//Complex operator/(const Complex& rhs) const;
public:Complex(double r = 0, double i = 0): _real(r), _imag(i){cout << "Complex(double r = 0, double i = 0)" << endl;}~Complex(){cout << "~Complex()" << endl;}void display() const{if (_imag > 0){cout << _real << " + " << _imag << "i" << endl;}else if (_imag == 0){cout << _real << endl;}else{cout << _real << " - " << -_imag << "i" << endl;}}//成员函数，operator输出运算符重载 //cout << c1 << endl; //第一个参数cout ,第二个参数c1//std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& rhs); //error！隐含this指针//对于输出流运算符函数而言，不能写成成员函数的形式，因为违背了运算符重载的原则，不能改变操作数的顺序//std::ostream& operator<<(std::ostream& os);//error！this指针在参数列表的第一个位置/*友元函数可以放在类的 任何位置（public / protected / private），不影响其功能。从代码规范角度，建议统一放在类定义的开头或结尾，以提高可读性。友元关系是单向的，且不具备传递性（即类 A 的友元函数不会自动成为类 B 的友元）。*/friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& rhs);//输入流运算符重载friend std::istream& operator>>(std::istream& is, Complex& rhs);private:double _real;double _imag;
};
//问题1 ：参数列表中ostrream的引用符号&能不能去掉？
//解答1 ：不能去掉因为形参"os"和实参"cout"结合的时候会满足拷贝构造函数的调用时机，但是ostream中的拷贝构造函数已被delete//问题2 ： 函数返回类型中的引用符号&能不能删除？
//解答2 ： 不能取掉，因为return os，返回类型满足拷贝构造函数的调用时机3//注释：basic_ifstream( const basic_ifstream& rhs ) = delete; (7)	(since C++11)
//	   basic_ofstream( const basic_ofstream& rhs ) = delete; (7)	(since C++11)
//ifstram 和 ofstream 的拷贝构造函数已经从C++11开始删除了
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& rhs)
{cout << "std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& rhs)" << endl;if (rhs._imag > 0){os << rhs._real << " + " << rhs._imag << "i" << endl;}else if (rhs._imag == 0){os << rhs._real << endl;}else{os << rhs._real << " - " << -rhs._imag << "i" << endl;}return os;
}void readDouble(std::istream& is, double& rhs)
{while (is >> rhs, !is.eof()){if (is.bad()){std::cerr << "istream is bad" << endl;return;}else if (is.fail()){is.clear();//重置流的状态is.ignore(std::numeric_limits<::std::streamsize>::max(), '\n');//清空缓冲区cout << "请注意：需要输入double类型的数据！";}else{cout << "rhs = " << rhs << endl;break;}}
}//输入流运算符重载
std::istream& operator>>(std::istream& is, Complex& rhs)//因为要修改rhs 的值，所以不能加const
{cout << "std::istream& operator>>(std::istream& is, Complex& rhs)" << endl;cout << "请分别输入复数的实部和虚部：" << endl;//is >> rhs._real >> rhs._imag;readDouble(is, rhs._real);readDouble(is, rhs._imag);return is;
}void testOutputOperator()
{Complex c1(1, 2);cout << "c1 = ";c1.display();cout << endl << endl;//cout << "c1 = " << c1.display();//为什么没有做输出流运算符重载之前上面的写法 不可行呢？ 解答：二元“<<”: 没有找到接受“void”类型的右操作数的运算符(或没有可接受的转换)cout << "c1 = " << c1 << endl;cout << endl;Complex c2;cin >> c2;cout << "c2 = " << c2 << endl;
}int main(int argc, char* argv[])
{testOutputOperator();return 0;
}

4. 下标访问运算符 operator[]

4.1 关键知识点
  • operator[] 主要用于自定义数组类型，使得 obj[idx] 访问数组元素。
  • 返回值应为 T&，以保证能够修改数组内容。
  • 必须进行越界检查，以防止访问非法内存。
4.2 代码
char& CharArrar::operator[](size_t idx) {if (idx < _size) {return _data[idx];} else {static char charNull = '\0';return charNull;}
}

5. 函数调用运算符 operator()

5.1 关键知识点
  • 使对象像函数一样调用，称为仿函数（函数对象）。
  • 可存储状态，例如调用次数。
5.2 代码
class FunctionObject {
public:int operator()(int x, int y) {++_cnt;return x + y;}int operator()(int x, int y, int z) {++_cnt;return x * y * z;}private:int _cnt = 0;
};
5.3 示例
FunctionObject fo;
cout << "fo(3, 4) = " << fo(3, 4) << endl;
cout << "fo(3, 4, 5) = " << fo(3, 4, 5) << endl;
5.4 完整代码
//bracket.h
#pragma once
#include <iostream>
#include <string.h>using namespace std;
class CharArrar
{
public:CharArrar(size_t sz = 10):_size(sz), _data(new char[_size]){cout << " CharArrar(size_t sz = 10)" << endl;}~CharArrar(){cout << "~CharArrar()" << endl;if (_data){delete _data;_data = nullptr;}}size_t size() const{return _size;}//下标访问运算符的重载//int arr[10] = { 1,2,3,4,5 };//arr.operator[](idx);char& operator[](size_t idx);
private:size_t _size;char* _data;
};
//bracket.cpp
#include "bracket.h"/*
要修复错误 C2106: “=”: 左操作数必须为左值，需要确保 CharArrar 类的
下标运算符 operator[] 返回一个可修改的左值。当前的 operator[] 声明
返回的是一个 char，这不是一个可修改的左值。我们需要将其修改为返回一个 char&。
*/
char& CharArrar::operator[](size_t idx)
{if (idx < _size){return _data[idx];}else{static char charNUll = '\0';//静态变量延长生命周期return charNUll;   //使得返回的实体生命周期比函数的生命周期长}
}//C++中优势：重载的下标访问运算符考虑了越界的问题
//引用什么时候需要加上？
//1.如果返回类型是类型的时候，可以减少拷贝构造函数的执行
//2.有可能需要一个左值（来调用右操作数），而不是拷贝后的右值、
//3.cout << "111" << c1 << endl << 10 << 1 << endl,像这种情况下连续使用的时候可以加上引用 

//parenthese.h
#pragma once
#include <iostream>using namespace std;class FunctionObject
{
public:int operator()(int x, int y);int operator()(int x, int y, int z);private:int _cnt;//记录被调用的次数（函数对象状态）
};
parenthese.cpp
#include <iostream>
#include "parenthese.h"using namespace std;int FunctionObject::operator()(int x, int y)
{++_cnt;cout << "int operator()(int x, int y)" << endl;return x + y;
}int FunctionObject::operator()(int x, int y, int z)
{cout << "int operator()(int x, int y,int z)" << endl;++_cnt;return x * y * z;
}
//main.cpp
#include <iostream>
#include "bracket.h"
#include "parenthese.h"using namespace std;int add(int x, int y)
{cout << "int add(int x,int y)" << endl;static int cnt = 0;++cnt;return x + y;
}void testFunctionObject()
{FunctionObject fo;int a = 3;int b = 4;int c = 5;//fo本质上是一个对象，但是他的使用cout << "fo(a,b) = " << fo(a, b) << endl;cout << "fo(a, b ,c) = " << fo(a, b, c) << endl;cout << endl;//正经的函数cout << "add(a, b) = " << add(a, b) << endl;
}void testCharArrar()
{//把字符串中的内容拷贝到CharArrayconst  char* pstr = "hello cpp";CharArrar ca(strlen(pstr) + 1);for(size_t idx = 0; idx != ca.size(); ++idx){//ca[idx] = pstr[idx];//上面和下面两条代码等价ca.operator[](idx) = pstr[idx];}for (size_t idx = 0; idx != ca.size(); ++idx){cout << ca[idx] << "  ";}cout << endl;
}int main(int argc, char** argv)
{testFunctionObject();testCharArrar();return  0;
}

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