day6 6.2各类运算符的重载

数学运算符的重载

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。代码如下：

//各类运算符的重载！
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

//复数类
class Complex{
public:  //构造函数，使用有默认参数的构造函数 
    Complex(double real = 0.0, double imag = 0.0): m_real(real), m_imag(imag){ }
public:  //运算符重载
    //以全局函数的形式重载，加友元函数声明，参数是两个！ 
    friend Complex operator+(const Complex &c1, const Complex &c2);
    friend Complex operator-(const Complex &c1, const Complex &c2);
    friend Complex operator*(const Complex &c1, const Complex &c2);
    friend Complex operator/(const Complex &c1, const Complex &c2);
    friend bool operator==(const Complex &c1, const Complex &c2);
    friend bool operator!=(const Complex &c1, const Complex &c2);
    //以成员函数的形式重载，参数是一个，隐式调用this指针 
    Complex & operator+=(const Complex &c);
    Complex & operator-=(const Complex &c);
    Complex & operator*=(const Complex &c);
    Complex & operator/=(const Complex &c);
public:  //成员函数
    double real() const{ return m_real; }
    double imag() const{ return m_imag; }
private:
    double m_real;  //实部
    double m_imag;  //虚部
};

//重载+运算符
Complex operator+(const Complex &c1, const Complex &c2){
    Complex c;
    c.m_real = c1.m_real + c2.m_real;
    c.m_imag = c1.m_imag + c2.m_imag;
    return c;
}
//重载-运算符
Complex operator-(const Complex &c1, const Complex &c2){
    Complex c;
    c.m_real = c1.m_real - c2.m_real;
    c.m_imag = c1.m_imag - c2.m_imag;
    return c;
}
//重载*运算符  (a+bi) * (c+di) = (ac-bd) + (bc+ad)i
Complex operator*(const Complex &c1, const Complex &c2){
    Complex c;
    c.m_real = c1.m_real * c2.m_real - c1.m_imag * c2.m_imag;
    c.m_imag = c1.m_imag * c2.m_real + c1.m_real * c2.m_imag;
    return c;
}
//重载/运算符  (a+bi) / (c+di) = [(ac+bd) / (c2+d2)] + [(bc-ad) / (c2+d2)]i
Complex operator/(const Complex &c1, const Complex &c2){
    Complex c;
    c.m_real = (c1.m_real*c2.m_real + c1.m_imag*c2.m_imag) / (pow(c2.m_real, 2) + pow(c2.m_imag, 2));
    c.m_imag = (c1.m_imag*c2.m_real - c1.m_real*c2.m_imag) / (pow(c2.m_real, 2) + pow(c2.m_imag, 2));
    return c;
}
//重载==运算符，布尔型 
bool operator==(const Complex &c1, const Complex &c2){
    if( c1.m_real == c2.m_real && c1.m_imag == c2.m_imag ){
        return true;
    }else{
        return false;
    }
}
//重载!=运算符
bool operator!=(const Complex &c1, const Complex &c2){
    if( c1.m_real != c2.m_real || c1.m_imag != c2.m_imag ){
        return true;
    }else{
        return false;
    }
}

//重载+=运算符
Complex & Complex::operator+=(const Complex &c){
    this->m_real += c.m_real;
    this->m_imag += c.m_imag;
    return *this;
}
//重载-=运算符
Complex & Complex::operator-=(const Complex &c){
    this->m_real -= c.m_real;
    this->m_imag -= c.m_imag;
    return *this;
}
//重载*=运算符
Complex & Complex::operator*=(const Complex &c){
    this->m_real = this->m_real * c.m_real - this->m_imag * c.m_imag;
    this->m_imag = this->m_imag * c.m_real + this->m_real * c.m_imag;
    return *this;
}
//重载/=运算符
Complex & Complex::operator/=(const Complex &c){
    this->m_real = (this->m_real*c.m_real + this->m_imag*c.m_imag) / (pow(c.m_real, 2) + pow(c.m_imag, 2));
    this->m_imag = (this->m_imag*c.m_real - this->m_real*c.m_imag) / (pow(c.m_real, 2) + pow(c.m_imag, 2));
    return *this;
}

int main(){
    Complex c1(25, 35);
    Complex c2(10, 20);
    Complex c3(1, 2);
    Complex c4(4, 9);
    Complex c5(34, 6);
    Complex c6(80, 90);
   
    Complex c7 = c1 + c2;
    Complex c8 = c1 - c2;
    Complex c9 = c1 * c2;
    Complex c10 = c1 / c2;
    cout<<"c7 = "<<c7.real()<<" + "<<c7.imag()<<"i"<<endl;
    cout<<"c8 = "<<c8.real()<<" + "<<c8.imag()<<"i"<<endl;
    cout<<"c9 = "<<c9.real()<<" + "<<c9.imag()<<"i"<<endl;
    cout<<"c10 = "<<c10.real()<<" + "<<c10.imag()<<"i"<<endl;
   
    c3 += c1;
    c4 -= c2;
    c5 *= c2;
    c6 /= c2;
    cout<<"c3 = "<<c3.real()<<" + "<<c3.imag()<<"i"<<endl;
    cout<<"c4 = "<<c4.real()<<" + "<<c4.imag()<<"i"<<endl;
    cout<<"c5 = "<<c5.real()<<" + "<<c5.imag()<<"i"<<endl;
    cout<<"c6 = "<<c6.real()<<" + "<<c6.imag()<<"i"<<endl;
   
    if(c1 == c2){
        cout<<"c1 == c2"<<endl;
    }
    if(c1 != c2){
        cout<<"c1 != c2"<<endl;
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述
需要注意的是，我们这里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，不要一股脑都写作成员函数或者全局函数。点击查看原因

重载“<<”和“>>”

我们知道cout 是 ostream 类的对象，cin 是 istream 类的对象，iostream类则是继承他们的类，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。代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;

class complex{
public:
    complex(double real = 0.0, double imag = 0.0): m_real(real), m_imag(imag){ };
public:
    friend istream & operator>>(istream & in, complex & A);//注意传入的参数。
    friend ostream & operator<<(ostream & out, complex & A);
private:
    double m_real;  //实部
    double m_imag;  //虚部
};

//重载输入运算符，返回istream类
istream & operator>>(istream & in, complex & A){
    in >> A.m_real >> A.m_imag;
    return in;
}

//重载输出运算符，返回的是ostream类
ostream & operator<<(ostream & out, complex & A){
    out << A.m_real <<" + "<< A.m_imag <<" i ";;
    return out;
}

int main(){
    complex c1, c2;
    cin>>c1>>c2;

    cout<<"c1= "<<c1<<endl;
    cout<<"c2 = "<<c2<<endl;
    return 0;
}

在这里插入图片描述

重载“[]”

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;//常函数，只能访问，不能修改

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。
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。

#include <iostream>
using namespace std;

class Array{
public:
	//构造函数与析构函数 
    Array(int length = 0);
    ~Array();
public:
	//成员函数重载[],返回值为int，参数只有一个。 
    int & operator[](int i);
    const int & operator[](int i) const;
public:
	//计算长度 
    int length() const { return m_length; }
    //输出数组 
    void display() const;
private:
    int m_length;  //数组长度
    int *m_p;  //指向数组内存的指针
};

Array::Array(int length): m_length(length){
    if(length == 0){
        m_p = NULL;
    }else{
        m_p = new int[length];//分配空间 
    }
}

Array::~Array(){
    delete[] m_p;
}
//成员函数重载[] 
int& Array::operator[](int i){
    return m_p[i]; 
}

const int & Array::operator[](int i) const{
    return m_p[i];//返回数组元素m_p[i] 
}
//输出数组 
void Array::display() const{
    for(int i = 0; i < m_length; i++){
        if(i == m_length - 1){
            cout<<m_p[i]<<endl;
        }else{
            cout<<m_p[i]<<", ";
        }
    }
}

int main(){
    int n;
    cin>>n;

    Array A(n);//创建长度为n的数组 
    for(int i = 0, len = A.length(); i < len; i++){
        A[i] = i * 5;//等比数组 
    }
    A.display();
   
    const Array B(n);//常对象只能调用常成员函数。我们无法修改对应数组的值。  
    cout<<B[n-1]<<endl;  //访问最后一个元素,全是0 
   
    return 0;
}

在这里插入图片描述
重载[ ]运算符以后，表达式arr[i]会被转换为：

arr.operator[ ](i);//函数operator[],参数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）。

重载“++、- -”

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

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

//秒表类
class stopwatch{
public://缺省构造函数 
    stopwatch(): m_min(0), m_sec(0){ }
public:
    void setzero(){ m_min = 0; m_sec = 0; }
    stopwatch run();  // 运行，计时
	//重载成员函数 
    stopwatch operator++();  //++i，前置形式
    stopwatch operator++(int);  //i++，后置形式
    //友元函数实现输出 
    friend ostream & operator<<( ostream &, const stopwatch &);
private:
    int m_min;  //分钟
    int m_sec;  //秒钟
};

stopwatch stopwatch::run(){
    ++m_sec;
    if(m_sec == 60){
        m_min++;
        m_sec = 0;
    }
    return *this;
}
//++前置 
stopwatch stopwatch::operator++(){
    return run();
}
//++后置 ,注意，int 在 括号内是为了向编译器说明这是一个后缀形式，而不是表示整数。
//前缀形式重载调用 operator ++ () ，后缀形式重载调用 operator ++ (int)。
stopwatch stopwatch::operator++(int){
    stopwatch s = *this;
    run();//m_sec增加 
    return s;
}
//重载<< 
ostream &operator<<( ostream & out, const stopwatch & s){
    out<<setfill('0')<<setw(2)<<s.m_min<<":"<<setw(2)<<s.m_sec;
    return out;
}

int main(){
    stopwatch s1, s2;

    s1 = s2++;//后缀形式，s2赋值给s1，s2加1， 
    cout << "s1: "<< s1 <<endl;//00：00 
    cout << "s2: "<< s2 <<endl;//00：01 
    s1.setzero();//置零 
    s2.setzero();

    s1 = ++s2;//前缀形式，s2+1，赋值给s1 
    cout << "s1: "<< s1 <<endl;//00:01 
    cout << "s2: "<< s2 <<endl;//00:01
    return 0;
}

再次说明：加int表示后缀形式调用这个函数，而不是参数！

stopwatch stopwatch::operator++(int ){
    stopwatch s = *this;
    run();//m_sec增加 
    return s;
}

在这里插入图片描述

重载new和delete

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。

重载（）

在 C++ 中，类型的名字（包括类的名字）本身也是一种运算符，即类型强制转换运算符。

类型强制转换运算符是单目运算符，也可以被重载，但只能重载为成员函数，不能重载为全局函数。经过适当重载后，(类型名)对象这个对对象进行强制类型转换的表达式就等价于对象.operator 类型名()，即变成对运算符函数的调用。

下面的程序对 double 类型强制转换运算符进行了重载，实现复数转换为浮点数。

#include <iostream>
using namespace std;
class Complex
{
    double real, imag;//默认private
public:
    Complex(double r = 0, double i = 0) :real(r), imag(i) {};
    operator double() { return real; }  //重载强制类型转换运算符 double，实现复数转换为浮点数
};
int main()
{
    Complex c(1.2, 3.4);
    //(类型名)对象这个对对象进行强制类型转换的表达式就等价于对象.operator 类型名()
    //相当于c.operator double()
    cout << (double)c << endl;  //输出 1.2
    double n = 2 + c;  //等价于 double n = 2 + c. operator double()
    cout << n;  //输出 3.2
}

程序的输出结果是：
1.2
3.2

第 8 行对 double 运算符进行了重载。重载强制类型转换运算符时，不需要指定返回值类型，因为返回值类型是确定的，就是运算符本身代表的类型，在这里就是 double。

重载后的效果是，第 13 行的(double)c等价于c.operator double()。

注意：有了对 double 运算符的重载，在本该出现 double 类型的变量或常量的地方，如果出现了一个 Complex 类型的对象，那么该对象的 operator double 成员函数就会被调用，然后取其返回值使用。
例如第 14 行，编译器认为本行中c这个位置如果出现的是 double 类型的数据，就能够解释得通，而 Complex 类正好重载了 double 运算符，因而本行就等价于：

double n = 2 + c.operator double();

小结注意事项

在 C++ 中进行运算符重载时，有以下问题需要注意：

重载后运算符的含义应该符合原有用法习惯。例如重载+运算符，完成的功能就应该类似于做加法，在重载的+运算符中做减法是不合适的。此外，重载应尽量保留运算符原有的特性。
C++ 规定，运算符重载不改变运算符的优先级。
下面是不可重载的运算符列表：

.：成员访问运算符
.*, ->*：成员指针访问运算符
::：域运算符
sizeof：长度运算符
?:：条件运算符
#：预处理符号

载运算符()、[]、->、或者赋值运算符=时，只能将它们重载为成员函数，不能重载为全局函数。
运算符重载的实质是将运算符重载为一个函数，使用运算符的表达式就被解释为对重载函数的调用。
运算符可以重载为全局函数。此时函数的参数个数就是运算符的操作数个数，运算符的操作数就成为函数的实参。运算符也可以重载为成员函数。此时函数的参数个数就是运算符的操作数个数减一，运算符的操作数有一个成为函数作用的对象，其余的成为函数的实参。
必要时需要重载赋值运算符=，以避免两个对象内部的指针指向同一片存储空间。
运算符可以重载为全局函数，然后声明为类的友元。
<<和>>是在 iostream 中被重载，才成为所谓的“流插入运算符”和“流提取运算符”的。
类型的名字可以作为强制类型转换运算符，也可以被重载为类的成员函数。它能使得对象被自动转换为某种类型。如double
自增、自减运算符各有两种重载方式，用于区别前置用法和后置用法。注意后缀形式
运算符重载不改变运算符的优先级。重载运算符时，应该尽量保留运算符原本的特性。

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