C++运算符重载

转自：http://c.biancheng.net/cpp/biancheng/view/3011.html

一、C++运算符重载的概念和语法

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：

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：

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：

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：

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。

二、C++运算符重载的规则

运算符重载是通过函数重载实现的，概念上大家都很容易理解，这节我们来说一下运算符重载的注意事项。

1) 并不是所有的运算符都可以重载。能够重载的运算符包括：
+  -  *  /  %  ^  &  |  ~  !  =  <  >  +=  -=  *=  /=  %=  ^=  &=  |=  <<  >>  <<=  >>=  ==  !=  <=  >=  &&  ||  ++  --  ,  ->*  ->  ()  []  new  new[]  delete  delete[]

上述运算符中，[]是下标运算符，()是函数调用运算符。自增自减运算符的前置和后置形式都可以重载。长度运算符sizeof、条件运算符: ?、成员选择符.和域解析运算符::不能被重载。

2) 重载不能改变运算符的优先级和结合性。假设上一节的 complex 类中重载了+号和*号，并且 c1、c2、c3、c4 都是 complex 类的对象，那么下面的语句：

c4 = c1 + c2 * c3;

等价于：

c4 = c1 + ( c2 * c3 );

乘法的优先级仍然高于加法，并且它们仍然是二元运算符。

3) 重载不会改变运算符的用法，原有有几个操作数、操作数在左边还是在右边，这些都不会改变。例如~号右边只有一个操作数，+号总是出现在两个操作数之间，重载后也必须如此。

4) 运算符重载函数不能有默认的参数，否则就改变了运算符操作数的个数，这显然是错误的。

5) 运算符重载函数既可以作为类的成员函数，也可以作为全局函数。

将运算符重载函数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。之所以少一个参数，是因为这个参数是隐含的。

例如，上节的 complex 类中重载了加法运算符：

complex operator+(const complex & A) const;

当执行：

c3 = c1 + c2;

会被转换为：

c3 = c1.operator+(c2);

通过 this 指针隐式的访问 c1 的成员变量。

将运算符重载函数作为全局函数时，二元操作符就需要两个参数，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。

例如，下面这样是不对的：

+号原来是对两个数相加，现在企图通过重载使它的作用改为两个数相减， 如果允许这样重载的话，那么表达式4+3的结果是 7 还是 1 呢？显然，这是绝对禁止的。

如果有两个参数，这两个参数可以都是对象，也可以一个是对象，一个是C ++内置类型的数据，例如：

它的作用是使一个整数和一个复数相加。

另外，将运算符重载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。原因很简单，该函数大部分情况下都需要使用类的 private 成员。

上节的最后一个例子中，我们在全局范围内重载了+号，并在 complex 类中将运算符重载函数声明为友元函数，因为该函数使用到了 complex 类的 m_real 和 m_imag 两个成员变量，它们都是 private 属性的，默认不能在类的外部访问。

6) 箭头运算符->、下标运算符[ ]、函数调用运算符( )、赋值运算符=只能以成员函数的形式重载。

三、C++重载数学运算符

四则运算符（+、-、*、/、+=、-=、*=、/=）和关系运算符（>、<、<=、>=、==、!=）都是数学运算符，它们在实际开发中非常常见，被重载的几率也很高，并且有着相似的重载格式。本节以复数类 Complex 为例对它们进行重载，重在演示运算符重载的语法以及规范。

复数能够进行完整的四则运算，但不能进行完整的关系运算：我们只能判断两个复数是否相等，但不能比较它们的大小，所以不能对 >、<、<=、>= 进行重载。下面是具体的代码：

运行结果：
c7 = 35 + 55i
c8 = 15 + 15i
c9 = -450 + 850i
c10 = 1.9 + -0.3i
c3 = 26 + 37i
c4 = -6 + -11i
c5 = 220 + 4460i
c6 = 5.2 + 1.592i
c1 != c2

需要注意的是，我们以全局函数的形式重载了 +、-、*、/、==、!=，以成员函数的形式重载了 +=、-=、*=、/=，而且应该坚持这样做，不能一股脑都写作成员函数或者全局函数，具体原因我们将在下节讲解。

四、C++重载>>和<<（输入输出运算符）

在C++中，标准库本身已经对左移运算符<<和右移运算符>>分别进行了重载，使其能够用于不同数据的输入输出，但是输入输出的对象只能是 C++ 内置的数据类型（例如 bool、int、double 等）和标准库所包含的类类型（例如 string、complex、ofstream、ifstream 等）。

如果我们自己定义了一种新的数据类型，需要用输入输出运算符去处理，那么就必须对它们进行重载。本节以前面的 complex 类为例来演示输入输出运算符的重载。

其实 C++ 标准库已经提供了 complex 类，能够很好地支持复数运算，但是这里我们又自己定义了一个 complex 类，这样做仅仅是为了教学演示。

本节要达到的目标是让复数的输入输出和 int、float 等基本类型一样简单。假设 num1、num2 是复数，那么输出形式就是：

cout<<num1<<num2<<endl;

输入形式就是：

cin>>num1>>num2;

cout 是 istream 类的对象，cin 是 ostream 类的对象，要想达到这个目标，就必须以全局函数（友元函数）的形式重载<<和>>，否则就要修改标准库中的类，这显然不是我们所期望的。

重载输入运算符>>

下面我们以全局函数的形式重载>>，使它能够读入两个 double 类型的数据，并分别赋值给复数的实部和虚部：

istream 表示输入流，cin 是 istream 类的对象，只不过这个对象是在标准库中定义的。之所以返回 istream 类对象的引用，是为了能够连续读取复数，让代码书写更加漂亮，例如：

complex c1, c2;
cin>>c1>>c2;

如果不返回引用，那就只能一个一个地读取了：

complex c1, c2;
cin>>c1;
cin>>c2;

另外，运算符重载函数中用到了 complex 类的 private 成员变量，必须在 complex 类中将该函数声明为友元函数：

friend istream & operator>>(istream & in , complex &a);

>>运算符可以按照下面的方式使用：

complex c;
cin>>c;

当输入1.45 2.34↙后，这两个小数就分别成为对象 c 的实部和虚部了。cin>> c;这一语句其实可以理解为：

operator<<(cin , c);

重载输出运算符<<

同样地，我们也可以模仿上面的形式对输出运算符>>进行重载，让它能够输出复数，请看下面的代码：

ostream 表示输出流，cout 是 ostream 类的对象。由于采用了引用的方式进行参数传递，并且也返回了对象的引用，所以重载后的运算符可以实现连续输出。

为了能够直接访问 complex 类的 private 成员变量，同样需要将该函数声明为 complex 类的友元函数：

friend ostream & operator<<(ostream &out, complex &A);

综合演示

结合输入输出运算符的重载，重新实现 complex 类：

运行结果：
2.4 3.6↙
4.8 1.7↙
c1 + c2 = 7.2 + 5.3 i
c1 - c2 = -2.4 + 1.9 i
c1 * c2 = 5.4 + 21.36 i
c1 / c2 = 0.942308 + 0.705128 i

五、C++重载[ ]（下标运算符）

C++ 规定，下标运算符[ ]必须以成员函数的形式进行重载。该重载函数在类中的声明格式如下：

返回值类型 & operator[ ] (参数);

或者：

const 返回值类型 & operator[ ] (参数) const;

使用第一种声明方式，[ ]不仅可以访问元素，还可以修改元素。使用第二种声明方式，[ ]只能访问而不能修改元素。在实际开发中，我们应该同时提供以上两种形式，这样做是为了适应 const 对象，因为通过 const 对象只能调用 const 成员函数，如果不提供第二种形式，那么将无法访问 const 对象的任何元素。

下面我们通过一个具体的例子来演示如何重载[ ]。我们知道，有些较老的编译器不支持变长数组，例如 VC6.0、VS2010 等，这有时候会给编程带来不便，下面我们通过自定义的 Array 类来实现变长数组。

运行结果：
5↙
0, 5, 10, 15, 20
33685536

重载[ ]运算符以后，表达式arr[i]会被转换为：

arr.operator[ ](i);

需要说明的是，B 是 const 对象，如果 Array 类没有提供 const 版本的operator[ ]，那么第 60 行代码将报错。虽然第 60 行代码只是读取对象的数据，并没有试图修改对象，但是它调用了非 const 版本的operator[ ]，编译器不管实际上有没有修改对象，只要是调用了非 const 的成员函数，编译器就认为会修改对象（至少有这种风险）。

六、C++重载++和--（自增自减运算符）

自增++和自减--都是一元运算符，它的前置形式和后置形式都可以被重载。请看下面的例子：

运行结果：
s1: 00:00
s2: 00:01
s1: 00:01
s2: 00:01

上面的代码定义了一个简单的秒表类，m_min 表示分钟，m_sec 表示秒钟，setzero() 函数用于秒表清零，run() 函数是用来描述秒针前进一秒的动作，接下来是三个运算符重载函数。

先来看一下 run() 函数的实现，run() 函数一开始让秒针自增，如果此时自增结果等于60了，则应该进位，分钟加1，秒针置零。

operator++() 函数实现自增的前置形式，直接返回 run() 函数运行结果即可。

operator++ (int n) 函数实现自增的后置形式，返回值是对象本身，但是之后再次使用该对象时，对象自增了，所以在该函数的函数体中，先将对象保存，然后调用一次 run() 函数，之后再将先前保存的对象返回。在这个函数中参数n是没有任何意义的，它的存在只是为了区分是前置形式还是后置形式。

自减运算符的重载与上面类似，这里不再赘述。

七、C++重载new和delete运算符

内存管理运算符 new、new[]、delete 和 delete[] 也可以进行重载，其重载形式既可以是类的成员函数，也可以是全局函数。一般情况下，内建的内存管理运算符就够用了，只有在需要自己管理内存时才会重载。

以成员函数的形式重载 new 运算符：

void * className::operator new( size_t size ){
    //TODO:
}

以全局函数的形式重载 new 运算符：

void * operator new( size_t size ){
    //TODO:
}

两种重载形式的返回值相同，都是void *类型，并且都有一个参数，为size_t类型。在重载 new 或 new[] 时，无论是作为成员函数还是作为全局函数，它的第一个参数必须是 size_t 类型。size_t 表示的是要分配空间的大小，对于 new[] 的重载函数而言，size_t 则表示所需要分配的所有空间的总和。

size_t 在头文件 <cstdio> 中被定义为typedef unsigned int size_t;，也就是无符号整型。

当然，重载函数也可以有其他参数，但都必须有默认值，并且第一个参数的类型必须是 size_t。

同样的，delete 运算符也有两种重载形式。以类的成员函数的形式进行重载：

void className::operator delete( void *ptr){
    //TODO:
}

以全局函数的形式进行重载：

void operator delete( void *ptr){
    //TODO:
}

两种重载形式的返回值都是 void 类型，并且都必须有一个 void 类型的指针作为参数，该指针指向需要释放的内存空间。

当我们以类的成员函数的形式重载了new 和 delete 操作符，其使用方法如下：

纯文本复制

如果类中没有定义 new 和 delete 的重载函数，那么会自动调用内建的 new 和 delete 运算符。