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C++运算符重载基础教程

所谓重载,就是赋予新的含义。函数重载(Function Overloading)可以让一个函数名有多种功能,在不同情况下进行不同的操作。运算符重载(Operator Overloading)也是一个道理,同一个运算符可以有不同的功能。

实际上,我们已经在不知不觉中使用了运算符重载。例如,+号可以对不同类型(int、float 等)的数据进行加法操作;<<既是位移运算符,又可以配合 cout 向控制台输出数据。C++ 本身已经对这些运算符进行了重载。

C++ 也允许程序员自己重载运算符,这给我们带来了很大的便利。

下面的代码定义了一个复数类,通过运算符重载,可以用+号实现复数的加法运算:
#include <iostream>
using namespace std;

class complex{
public:
    complex();
    complex(double real, double imag);
public:
    //声明运算符重载
    complex operator+(const complex &A) const;
    void display() const;
private:
    double m_real;  //实部
    double m_imag;  //虚部
};

complex::complex(): m_real(0.0), m_imag(0.0){ }
complex::complex(double real, double imag): m_real(real), m_imag(imag){ }

//实现运算符重载
complex complex::operator+(const complex &A) const{
    complex B;
    B.m_real = this->m_real + A.m_real;
    B.m_imag = this->m_imag + A.m_imag;
    return B;
}

void complex::display() const{
    cout<<m_real<<" + "<<m_imag<<"i"<<endl;
}

int main(){
    complex c1(4.3, 5.8);
    complex c2(2.4, 3.7);
    complex c3;
    c3 = c1 + c2;
    c3.display();
 
    return 0;
}
运行结果:
6.7 + 9.5i

本例中义了一个复数类 complex,m_real 表示实部,m_imag 表示虚部,第 10 行声明了运算符重载,第 21 行进行了实现(定义)。认真观察这两行代码,可以发现运算符重载的形式与函数非常类似。

运算符重载其实就是定义一个函数,在函数体内实现想要的功能,当用到该运算符时,编译器会自动调用这个函数。也就是说,运算符重载是通过函数实现的,它本质上是函数重载。

运算符重载的格式为:
返回值类型 operator 运算符名称 (形参表列){
    //TODO:
}
operator是关键字,专门用于定义重载运算符的函数。我们可以将operator 运算符名称这一部分看做函数名,对于上面的代码,函数名就是operator+

运算符重载函数除了函数名有特定的格式,其它地方和普通函数并没有区别。

上面的例子中,我们在 complex 类中重载了运算符+,该重载只对 complex 对象有效。当执行c3 = c1 + c2;语句时,编译器检测到+号左边(+号具有左结合性,所以先检测左边)是一个 complex 对象,就会调用成员函数operator+(),也就是转换为下面的形式:

c3 = c1.operator+(c2);

c1 是要调用函数的对象,c2 是函数的实参。

上面的运算符重载还可以有更加简练的定义形式:
complex complex::operator+(const complex &A)const{
    return complex(this->m_real + A.m_real, this->m_imag + A.m_imag);
}
return 语句中的complex(this->m_real + A.m_real, this->m_imag + A.m_imag)会创建一个临时对象,这个对象没有名称,是一个匿名对象。在创建临时对象过程中调用构造函数,return 语句将该临时对象作为函数返回值。

在全局范围内重载运算符

运算符重载函数不仅可以作为类的成员函数,还可以作为全局函数。更改上面的代码,在全局范围内重载+,实现复数的加法运算:
#include <iostream>
using namespace std;

class complex{
public:
    complex();
    complex(double real, double imag);
public:
    void display() const;
    //声明为友元函数
    friend complex operator+(const complex &A, const complex &B);
private:
    double m_real;
    double m_imag;
};

complex operator+(const complex &A, const complex &B);

complex::complex(): m_real(0.0), m_imag(0.0){ }
complex::complex(double real, double imag): m_real(real), m_imag(imag){ }
void complex::display() const{
    cout<<m_real<<" + "<<m_imag<<"i"<<endl;
}

//在全局范围内重载+
complex operator+(const complex &A, const complex &B){
    complex C;
    C.m_real = A.m_real + B.m_real;
    C.m_imag = A.m_imag + B.m_imag;
    return C;
}

int main(){
    complex c1(4.3, 5.8);
    complex c2(2.4, 3.7);
    complex c3;
    c3 = c1 + c2;
    c3.display();
 
    return 0;
}
运算符重载函数不是 complex 类的成员函数,但是却用到了 complex 类的 private 成员变量,所以必须在 complex 类中将该函数声明为友元函数。

当执行c3 = c1 + c2;语句时,编译器检测到+号两边都是 complex 对象,就会转换为类似下面的函数调用:

c3 = operator+(c1, c2);

小结

虽然运算符重载所实现的功能完全可以用函数替代,但运算符重载使得程序的书写更加人性化,易于阅读。运算符被重载后,原有的功能仍然保留,没有丧失或改变。通过运算符重载,扩大了C++已有运算符的功能,使之能用于对象。

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