C++面向对象（OOP）编程-运算符重载

本文主要介绍C++面向对象编程中的多态的手段之一运算符重载，讲清运算符重载的本质，以及通过代码实现一些常用的运算符重载。

目录

1 运算符重载的本质

2 运算符重载格式

3 运算符重载分类

3.1 重载为类的成员函数

3.1.1 双目运算符重载

3.1.2 单目运算符重载

3.2 重载为类的全局友元函数

3.3 两种重载方式对比

4 运算符重载规则  

5 一些运算符的重载

5.1 输入输出运算符的重载

5.2 关系运算符重载

5.3 赋值运算符的重载

5.4 类型转换运算符重载

1 运算符重载的本质

        运算符重载（operator overload）是对已有的常规运算符赋予多重含义，使用相同的运算符，通过提供操作不同数据类型实现不同的行为。由于运算符的本质是C++封装的类的成员函数，因此运算符重载的本质是函数重载。

        比如 对于运算符+，常规支持一般的int等数据类型，我们可以重载让其两个对象相加，赋予新的含义。

2 运算符重载格式

        

返回类型 operator 运算符（参数列表）

{

    函数体;

}

operator 为关键字，运算符重载只能重载C++允许的运算符。

3 运算符重载分类

3.1 重载为类的成员函数

        根据操作数的多少会分为单目运算符的重载和双目运算符的重载。双目运算符重载为类的成员函数，则它有两个操作数：左操作数是对象本身的数据，右操作数则通过运算符重载函数的参数表来传递。

3.1.1 双目运算符重载

        调用格式为：

                左操作数.运算符重载函数（右操作数）

        以下代码是运算符 - + * << 的重载：

#include <iostream>
#include <fstream>
class Complex
{
    private:
        double real;
        double imag;

    public:
        Complex(double r, double i) : real(r), imag(i) {}

        // 运算符+重载
        Complex operator+(const Complex &other) const
        {
            double newReal = real + other.real;
            double newImag = imag + other.imag;
            return Complex(newReal, newImag);
        }

        // 运算符-重载
        Complex operator - (const Complex & other) const
        {
            return Complex((real-other.real),(imag-other.imag));

        }

        // 运算符*重载
        Complex operator * (const Complex & other) const
        {
            return Complex((real * other.real),(imag * other.imag));
        }

        // 运算符<<重载，用于输出对象
        friend std::ostream & operator << (std::ostream &os, const Complex &c)
        {
            os << "(" << c.real << ", " << c.imag << ")";
            return os;
        }

};



int main()
{
    Complex a(1.0, 2.0);
    Complex b(3.0, 4.0);
    

    Complex c = a + b; // 使用运算符+进行复杂数相加

    std::cout << "a+b: " << c << std::endl;

    Complex d = a - b;

    std::cout << "a-b: " << d << std::endl;

    Complex f = a - b;

    std::cout << "a*b: " << f << std::endl;


    return 0;
}

运行结果：

3.1.2 单目运算符重载

        如果是单目运算符重载为类的成员函数，则要分为前置(++i)和后置(i++)运算符。

如果是前置运算符，则它的操作数是函数调用者，函数没有参数。

调用格式为：

操作数.运算符重载函数（）        

        以下代码是运算符++i和i++的重载：

#include <iostream>
#include <fstream>
class Complex
{
    private:
        double real;
        double imag;

    public:
        Complex(double r, double i) : real(r), imag(i) {}

        // ++i
        Complex operator ++ ()
        {
            ++(this->real);
            ++(this->imag);
            return *this;
        }

        // i++

        Complex operator ++ (int)
        {
            Complex cpx = *this;
            (this->real)++;
            (this->imag)++;
            return cpx;

        }

        // 运算符<<重载，用于输出对象
        friend std::ostream & operator << (std::ostream &os, const Complex &c)
        {
            os << "(" << c.real << ", " << c.imag << ")";
            return os;
        }

};


int main()
{
    Complex a(1.0, 2.0);
    Complex b(3.0, 4.0);
    

    std::cout << "*************单目运算符重载i++*************" << std::endl;
    std::cout << "a: " << a << " a++: " << a++ << std::endl;
    std::cout << "a: " << a << " (a++): " << (a++) << std::endl;

    std::cout << "*************单目运算符重载++i*************" << std::endl;
    
    std::cout << "a: " << a << " ++a: " << ++a << std::endl;
    std::cout << "a: " << a << " (++a): " << (++a) << std::endl;

    return 0;
}

运行结果：

        实现前置“++”时，数据成员进行自增运算，然后返回当前对象（即this指针所指 向的对象）。实现后置“++”时，创建了一个临时对象来保存当前对象的值，然后再将当前对象自增，最后返回的是保存了初始值的临时对象。

        前置单目运算符和后置单目运算符的最主要区别是函数的形参，后置单目运 算符带一个int型形参，但它只起区分作用。

3.2 重载为类的全局友元函数

        相比与重载为类的成员函数，重载为友元函数，只需要在其前面加friend`。

重载函数格式：

friend 返回类型 operator 运算符（参数列表）

{

    函数体；

}

调用格式

        operator 运算符（参数1，参数2）

        以下是运算符-的友元函数的重载：

#include <iostream>
#include <fstream>
class Complex
{
    private:
        double real;
        double imag;

    public:
        Complex(double r, double i) : real(r), imag(i) {}


        // 运算符<<重载，用于输出对象
        friend std::ostream & operator << (std::ostream &os, const Complex &c);
        // 友元函数 运算符重载-
        friend Complex operator - (const Complex & a, const Complex & b)
        {
            return Complex((a.real-b.real),(a.imag-b.imag));
        } 
};

std::ostream & operator<<(std::ostream &os, const Complex &c)
{
    os << "(" << c.real << ", " << c.imag << ")";
    return os;
}

int main()
{
    {
        Complex a(1.0, 2.0);
        Complex b(3.0, 4.0);

        std::cout << "*************全局函数为友元函数****************" << std::endl;

        Complex d = a - b;

        std::cout << "a-b: " << d << std::endl;
    }
    
    


    return 0;
}

        运行结果：

       

 运算符重载为类的友元函数时，由于没有隐含的this指针，因此，操作数的个数没有变化，所有的操作数都必须通过函数形参进行传递，函数的参数与操作数 自左自右保持一一对应，这是由友元函数的性质决定的。

3.3 两种重载方式对比

        一般运算符重载既可以为类的成员函数，也可以为全局友元函数。

一般原则：

        1,一般，单目运算符最好重载为类的成员函数，双目运算符最好重载为类的友元函数。

        2,若一个运算符的操作需要修改对象的状态，选择重载为成员函数较好。

        3,若运算符的操作数（尤其是第一个操作数）可能有隐式类型转换，则只能选用友元函 数。

        4,具有对称性的运算符可能转换任意一端的运算对象，如：算术(a+b和b+a)、关系运算 符(a>b和b<a)等，通常重载为友元函数。

        5,有4个运算符必须重载为类的成员函数：赋值＝、下标[ ]、调用( )、成员访问->。

4 运算符重载规则  

        1，C++中不允许用户定义新的运算符，只能对已有的运算符进行重载，

        2，重载后的运算符的优先级、结合性也应该保持不变，也不能改变其操作个数和语 法结构。

        3，重载后的含义，与操作基本数据类型的运算含义应类似，如加法运算符“+”，重 载后也应完成数据的相加操作。

        4，有5个运算符不可重载：类关系运算符“：”、成员指针运算符“*”、作用域运算 符“::”、sizeof运算符、三目运算符“？：”

        5，运算符重载函数不能有默认参数，否则就改变了运算符操作数的个数，是错误的。

        6，运算符重载函数既可以作为类的成员函数，也可以作为类的友元函数（全局函数）。 

作为全局函数时，一般都需要在类中将该函数声明为友元函数。因为该函数大部分情况下都需要使用类的private成员。作为类的成员函数时，二元运算符的参数只有一个， 一元运算符不需要参数（参数没有任何意义，只是为了区分是前置还是后置形式：带 一个整型参数为后置形式）。因为有个参数（左操作数）是隐含的（隐式访问this指针 所指向的当前对象）。作为全局函数时，二元操作符需要两个参数，一元操作符需要一 个参数，而且其中必须有一个参数是对象，好让编译器区分这是程序员自定义的运算符， 防止程序员修改用于内置类型的运算符的性质。

5 一些运算符的重载

5.1 输入输出运算符的重载

friend istream& operator>>(istream& is, Person& p); // 输入运算符重载

friend ostream& operator<<(ostream& os, const Person& p); // 输出运算符重载

 代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;

class Person {
public:
    Person() : name(""), age(0) {}
    
    friend istream& operator>>(istream& is, Person& p);
    friend ostream& operator<<(ostream& os, const Person& p);

private:
    string name;
    int age;
};

istream& operator>>(istream& is, Person& p) {
    cout << "Enter name: ";
    is >> p.name;
    cout << "Enter age: ";
    is >> p.age;
    return is;
}

ostream& operator<<(ostream& os, const Person& p) {
    os << "Name: " << p.name << ", Age: " << p.age;
    return os;
}

int main() {
    Person person;
    cin >> person; // 从控制台读取数据
    cout << person << endl; // 输出：Name: John, Age: 25
    return 0;
}

        运行结果：

5.2 关系运算符重载

        关系运算符的重载通常用于实现自定义的数据类型。例如，我们可以为一个类定义一个大于、小于和等于运算符的重载函数。

        （1）关系运算符都要成对的重载。如：重载了“<”运算符，就要重载“>” 运算符，反之亦然。

        （2）“==”运算符应该具有传递性。如：a==b，b==c，则a==c成立。

        （3）当成对出现运算符重载时，可以把一个运算符的工作委托给另一个运算 符。如：重载“!=”运算符是在“==”运算符的基础上，重载“<”运算 符 由重载过的“>”运算符来实现。

代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;

class Person {
public:
    Person(const string& n, int a) : name(n), age(a) {}
    
    friend bool operator>(const Person& p1, const Person& p2);
    friend bool operator<(const Person& p1, const Person& p2);
    friend bool operator==(const Person& p1, const Person& p2);

private:
    string name;
    int age;
};

bool operator>(const Person& p1, const Person& p2) {
    return p1.age > p2.age;
}

bool operator<(const Person& p1, const Person& p2) {
    return p1.age < p2.age;
}

bool operator==(const Person& p1, const Person& p2) {
    return p1.age == p2.age;
}

int main() {
    Person person1("John", 25);
    Person person2("Jane", 30);
    
    cout << "person1 > person2: " << (person1 > person2) << endl; // 输出：person1 > person2: 1
    cout << "person1 < person2: " << (person1 < person2) << endl; // 输出：person1 < person2: 1
    cout << "person1 == person2: " << (person1 == person2) << endl; // 输出：person1 == person2: 0
    
    return 0;
}

        运行结果：

5.3 赋值运算符的重载

        若类中没有显式定义赋值运算符的重载函数，编译器将自动提供一个默认的重载函 数，完成数据成员的“浅拷贝”。若类中的数据成员上需要附加额 外的信息，比如类中存在指针成员，指针成员指向新开辟的空间，此时需要重载赋值运算符，以实现“深拷贝”。

注意：赋值运算符只能被重载为类的成员函数。

        赋值运算符的重载可以实现函数的深拷贝，深拷贝也可以通过深拷贝构造函数实现。

代码实现：

#include <iostream>
using namespace std;
 
class A
{
private:
	int x, y;

public:
	A(int x1 = 0, int y1 = 0)
	{
		x = x1;
		y = y1;
	}
    A & operator = (const A & other)
    {
        this->x = other.x;
        this->y = other.y;
        return *this;
    }
        
	void show()
	{
		cout << "x=" << x << "," << "y=" << y << endl;
	}
};
int main()
{
	A a1(66, 2);
    A a2(97,3);
    a1 = a2;
	a1.show();
	return 0;
}

        运行结果：

5.4 类型转换运算符重载

        C++的一般基本的数据类型的强制转换为static_cast<data_type>(expression)

        重载类型转换运算符的格式：

operator 类型名（）

{

        return static_cast<类型名>(expression)

};

        注意：

        （1）通过类型转换函数可以将自定义类型对象转换为基本类型数据。

        （2）类型转换函数被重载的是类型名。在函数名前不能指定函数类型，函数也没 有参数。返回值类型是由函数名中指定的类型名来确定的（如果类型名为double， 则将类型数据转换为double类型返回）。

        （3）因为函数转换的主体是本类的对象，类型转换运算符重载函数只能作为类的 成员函数。

代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;
 
class A
{
private:
	int x, y;

public:
	A(int x1 = 0, int y1 = 0)
	{
		x = x1;
		y = y1;
	}
	operator char()
	{
		return static_cast<char>(x);
	}
	void show()
	{
		cout << "x=" << x << "," << "y=" << y << endl;
	}
};
int main()
{
	A a1(66, 2);
	a1.show();
	char ch = a1;
	cout << ch << endl;
	return 0;
}

        运行结果：

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