C++ 运算符重载的基本概念

01 运算符重载的需求

C++ 预定义的运算符,只能用于基本数据类型的运算:整型、实型、字符型、逻辑型等等,且不能用于对象的运算。但是我们有时候又很需要在对象之间能用运算符,那么这时我们就要重载运算符,使得运算符能用于对象之间的运算。

比如,在数学上,两个复数可以直接进行+、-等运算,但在C++中,直接将+或-用于复数对象是不允许的。有时会希望,让对象也能通过运算符进行运算。这样代码就更简洁,也容易理解。

例如:

complex_a 和 complex_b 是两个复数对象,求两个复数的和,希望的能直接写成:complex_a + complex_b

这时我们就需要对 + 号运算符进行重载。


02 运算符重载的形式

运算符重载的实质就是函数重载,可以重载为普通函数,也可以重载为成员函数。运算符重载的基本形式如下:

返回值类型 operator 运算符(形参表)
{
    ...
}

下面举个例子,实现对复数对象的 +- 运算符重载:

class Complex // 复数类
{
public:
    // 构造函数,如果不传参数,默认把实部和虚部初始化为0
    Complex(double r = 0.0, double i = 0.0):m_real(r),m_imag(i) {  }

    // 重载-号运算符,属于成员函数
    Complex operator-(const Complex & c)
    {
        // 返回一个临时对象
        return Complex(m_real - c.m_real, m_imag - c.m_imag);
    }

    // 打印复数
    void PrintComplex()
    {
        cout << m_real << "," << m_imag << endl;
    }
    
    // 将重载+号的普通函数,定义成友元函数
    // 目的是为了友元函数能访问对象的私有成员
    friend Complex operator+(const Complex &a, const Complex &b);
    
private:
    double m_real;  // 实部的值
    double m_imag;  // 虚部的值
};

// 重载+号运算符,属于普通函数,不是对象的成员函数
Complex operator+(const Complex &a, const Complex &b)
{
    // 返回一个临时对象
    return Complex(a.m_real + b.m_real, a.m_imag + b.m_imag);
}

int main() 
{
    Complex a(2,2);
    Complex b(1,1);
    Complex c;

    c = a + b; // 等价于c = operator+(a,b)
    c.PrintComplex();

    c = a - b; // 等价于 c = a.operator-(b)
    c.PrintComplex();

    return 0;
}

输出结果:

3,3
1,1

从上面的例子中,我们可以知道重载为成员函数和普通函数的区别了:

  • 重载为成员函数时,参数个数为运算符目数减一。如:c = a - b; 等价于 c = a.operator-(b)
  • 重载为普通函数时,参数个数为运算符目数。如:c = a + b; 等价于c = operator+(a,b)

在上面的代码中,我把重载 + 号运算符的普通函数,在Complex复数类中定义成了友元函数,目的是为了友元函数能访问对象的私有成员,否则会编译报错。


03 +号和-号重载函数的返回值和参数表

这里还有个值得思考的问题:

  • 为什么重载-号和+号运算符函数的返回类型是Complex对象而不是Complex &呢?
  • 为什么重载-号和+号的运算符函数的参数表是const Complex & c常引用类型而不是Complex c呢?
// 重载-号运算符,属于成员函数
Complex Complex::operator-(const Complex & c)
{
    // 返回一个临时对象
    return Complex(m_real - c.m_real, m_imag - c.m_imag);
}

首先先说一下参数表为什么是const Complex & c常引用类型,首先如果参数表如果普通的对象形式Complex c,那么在入参的时候,就会调用默认的赋值(拷贝)构造函数,产生了一个临时对象,这会增大开销,所以就采用引用的方式,同时又为了防止引用的对象被修改,所以就定义成了const Complex & c常引用类型。

再来说一下返回值为什么是普通Complex对象,因为本次 - 号和 + 号运算符的函数执行之后,需要返回一个新的对象给到左值。