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C++运算符重载的概念和原理

如果不做特殊处理,C++ 的 +、-、*、/ 等运算符只能用于对基本类型的常量或变量进行运算,不能用于对象之间的运算。

有时希望对象之间也能用这些运算符进行运算,以达到使程序更简洁、易懂的目的。例如,复数是可以进行四则运算的,两个复数对象相加如果能直接用+运算符完成,不是很直观和简洁吗?

利用 C++ 提供的“运算符重载”机制,赋予运算符新的功能,就能解决用+将两个复数对象相加这样的问题。

运算符重载,就是对已有的运算符赋予多重含义,使同一运算符作用于不同类型的数据时产生不同的行为。运算符重载的目的是使得 C++ 中的运算符也能够用来操作对象。

运算符重载的实质是编写以运算符作为名称的函数。不妨把这样的函数称为运算符函数。运算符函数的格式如下:

返回值类型  operator  运算符(形参表)
{
    ....
}

包含被重载的运算符的表达式会被编译成对运算符函数的调用,运算符的操作数成为函数调用时的实参,运算的结果就是函数的返回值。运算符可以被多次重载。

运算符可以被重载为全局函数,也可以被重载为成员函数。一般来说,倾向于将运算符重载为成员函数,这样能够较好地体现运算符和类的关系。来看下面的例子:
#include <iostream>
using namespace std;
class Complex
{
public:
    double real, imag;
    Complex(double r = 0.0, double i = 0.0) : real(r), imag(i) { }
    Complex operator - (const Complex & c);
};
Complex operator + (const Complex & a, const Complex & b)
{
    return Complex(a.real + b.real, a.imag + b.imag); //返回一个临时对象
}
Complex Complex::operator - (const Complex & c)
{
    return Complex(real - c.real, imag - c.imag);  //返回一个临时对象
}
int main()
{
    Complex a(4, 4), b(1, 1), c;
    c = a + b;  //等价于 c = operator + (a,b);
    cout << c.real << "," << c.imag << endl;
    cout << (a - b).real << "," << (a - b).imag << endl;  //a-b等价于a.operator - (b)
    return 0;
}
程序的输出结果是:
5,5
3,3

程序将+重载为一个全局函数(只是为了演示这种做法,否则重载为成员函数更好),将-重载为一个成员函数。

运算符重载为全局函数时,参数的个数等于运算符的目数(即操作数的个数);运算符重载为成员函数时,参数的个数等于运算符的目数减一。

如果+没有被重载,第 21 行会编译出错,因为编译器不知道如何对两个 Complex 对象进行+运算。有了对+的重载,编译器就将a+b理解为对运算符函数的调用,即operator+(a,b),因此第 21 行就等价于:

c = operator+(a, b);

即以两个操作数 a、b 作为参数调用名为operator+的函数,并将返回值赋值给 c。

第 12 行,在 C++ 中,“类名(构造函数实参表)”这种写法表示生成一个临时对象。该临时对象没有名字,生存期就到包含它的语句执行完为止。因此,第 12 行实际上生成了一个临时的 Complex 对象作为 return 语句的返回值,该临时对象被初始化为 a、b 之和。第 16 行与第 12 行类似。

由于-被重载为 Complex 类的成员函数,因此,第 23 行中的a-b就被编译器处理成:

a.operator-(b);

由此就能看出,为什么运算符重载为成员函数时,参数个数要比运算符目数少 1 了。

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