C++ 运算符重载：成员、非成员函数重载

一、运算符重载

1、背景

• C++中标准运算符（如+、—、*、/、<、>等）的操作对象只能是基本数据类型。但对于用户自定义类型（例如类），也需要类似的运算操作。这时就必须在C++中重新定义这些运算符，使它能够用于特定类型执行特定的操作。
• 运算符重载，本质上是函数重载，属于静态多态

2、运算符函数重载的两种形式

1、成员函数重载

1、定义格式

• 成员函数声明的格式：

函数类型 operator 运算符(参数表);

• 成员函数定义的格式：

函数类型 类名::operator 运算符(参数表)
 {
 	 函数体;
  }

2、非成员函数重载（友元）

1、定义格式

• 友元函数声明的格式：

friend 函数类型 operator 运算符(参数表);

• 友元函数定义的格式：

 函数类型 operator 运算符(参数表)
{
  	函数体;
 }

3、重载原则

• (1) 除了类属关系运算符"."、成员指针运算符".*"、作用域运算符"::"、sizeof运算符和三目运算符"?:"以外，C++中的所有运算符都可以重载。
• (2) 重载运算符限制在C++语言中已有的运算符范围内的允许重载的运算符之中，不能创建新的运算符。
• (3) 运算符重载实质上是函数重载，因此编译程序对运算符重载的选择，遵循函数重载的选择原则。
• (4) 重载之后的运算符不能改变运算符的优先级和结合性，也不能改变运算符操作数的个数及语法结构。
• (5) 运算符重载不能改变该运算符用于内部类型对象的含义。它只能和用户自定义类型的对象一起使用，或者用于用户自定义类型的对象和内部类型的对象混合使用时。
• (6) 运算时，有数和对象的混合运算时，必须使用友元
• (7) =，（），[],->不能以友元方式重载
• (8) 二元运算符中，第一个操作数为非对象时，必须使用友元函数。如输入输出运算符<<和>>
  为什么输出运算符重载不能是一个成员函数?而非得声明为友元？
  原因如下：

 返回值 operator运算符(参数列表){}

重载运算符时，函数声明在类内和类外是有区别的，比方说 + - * / 等需要2个操作数的运算符，当声明在类的外部时，则参数列表为2个参数，第一个参数为运算符左边的操作数，而第二个参数为操作符右边的操作数：如下

classType operator+(classType& left, classType& right);

而当函数声明在类的内部时，即为类的成员函数时，

classType operator+(classType& right );

而第一个操作数就是调用该操作符的对象的引用，第二个操作数是传进来的参数，所以，如果要重载<<运算符，一般写法是这样的

ostream& operator<<(ostream& os, const classType& obj);

则第一个参数是该运算符的第一个操作数，然而，却不是类对象，
所以当该类运算符重载时写在类的内部时，又为了访问类内除public外的其它变量或函数，
则应当声明为友元函数：

friend ostream& operator<<(ostream& os, const classType& obj);

所以，为什么有些运算符的重载要声明为友元函数，是类似的。

运算符重载原则表：

运算符	建议使用方式
一元运算符	成员函数
＝ ( ) [ ] ->	必须是成员函数
+= -= /= *= ^= &= != %= >>= <<=	成员函数
所有其它二元运算符, 例如: –,+,*,/	友元函数
<< >>	友元函数

4、参数和返回值

• 参数：
  当参数不会被改变，一般按const引用来传递(若是使用成员函数重载，函数也为const).

• 返回数值:

1. 如果返回值可能出现在=号左边, 则只能作为左值, 返回非const引用。
2. 如果返回值只能出现在=号右边, 则只需作为右值, 返回const型引用或者const型值。
3. 如果返回值既可能出现在=号左边或者右边, 则其返回值须作为左值, 返回非const引用。

5、成员函数重载

定义格式

<函数类型> operator <运算符>(<参数表>)
    {
     <函数体>
    }

1、双目运算符重载

1、定义

双目运算符(或称二元运算符)是C++中最常用的运算符。双目运算符有两个操作数，通常在运算符的左右两侧，

+，-，*，/，%，<，>，>=，<=，==，！=，<<，>>，&，^，|，&&，||，=

如3+5，a=b，i<10等

注意：
双目运算符重载为类的成员函数时，函数只显式说明一个参数，该形参是运算符的右操作数，因为成员函数用this指针隐式地访问了类的一个对象，它充当了运算符函数最左边的操作数。

2、调用格式

<对象名>.operator <运算符>(<参数>)  //obj1.operator<运算符>(OBJ obj2)
等价于
<对象名><运算符><参数>   //obj1<运算符>obj2

例如  a+b  等价于   a.operator+(b)

2、单目运算符重载

1、定义

单目运算符是指运算所需变量为一个的运算符，即在运算当中只有一个操作数，又叫一元运算符。

逻辑非运算符:!、按位取反运算符:~、自增自减运算符:++， - - 等

2、调用格式

• 前置单目运算符重载为类的成员函数时，不需要显式说明参数，即函数没有形参。因为成员函数用this指针隐式地访问了类的一个对象，它充当了运算符函数最左边的操作数。

<运算符> obj    
相当于
obj.operator<运算符>();

例如：
++a 相当于 a.operator++();

• 后置单目运算符重载为类的成员函数时，函数要带有一个整型形参。

obj <运算符>  
相当于
obj.operator<运算符>(int);

例如：
a++ 相当于 a.operator++(int);

6、非成员函数（友元）重载

1、定义

通常我们都将其声明为友元函数，因为大多数时候重载运算符要访问类的私有数据，如果不声明为类的友元函数，而是通过在此函数中调用类的公有函数来访问私有数据会降低性能。所以一般都会设置为类的友元函数，这样我们就可以在此非成员函数中访问类中的数据了。

2、定义形式

声明的格式：

friend 函数类型 operator 运算符(参数表);

定义的格式：

 friend 函数类型 operator 运算符(参数表){
  函数体;
  }

3、调用格式

1. 双目运算符 B重载后，

obj1 运算符 obj2   等同于   operator   运算符(obj1,obj2 )

2. 前置单目运算符 B重载后，

 运算符 obj   等同于    operator 运算符(obj )

3. 后置单目运算符 ++和–重载后，

 obj 运算符  等同于   operator 运算符(obj,0 )

举例

//前置++运算符重载
friend 函数类型 & operator++(类类型 &);
//后置++运算符重载
friend 函数类型 & operator++(类类型 &,int);

4、重载原则：

• 函数的形参代表依自左至右次序排列的各操作数。
• 参数个数=原操作数个数（后置++、–除外）
• 至少应该有一个自定义类型的参数。
• 后置单目运算符 ++和–的重载函数，形参列表中要增加一个int，但不必写形参名。
• 如果在运算符的重载函数中需要操作某类对象的私有成员，可以将此函数声明为该类的友元。

7、 +和 -运算符的重载实例

//https://blog.csdn.net/zhuzhaoming1994/article/details/80371779
class Point  
{  
private:  
	int x; 
public:  
	Point(int x1)
	{  	x=x1;}  
	Point(Point& p)   
	{  	x=p.x;}
	const Point operator+(const Point& p);//使用成员函数重载加号运算符
	friend const Point operator-(const Point& p1,const Point& p2);//使用友元函数重载减号运算符
};  
 
const Point Point::operator+(const Point& p)
{
	return Point(x+p.x);
}
 
const Point operator-(const Point& p1,const Point& p2)
{
	return Point(p1.x-p2.x);
}

结果：

Point a(1);  
Point b(2);
a+b;  //正确，调用成员函数
a-b;  //正确，调用友元函数
a+1;  //正确，先调用类型转换函数，把1变成类类型，之后调用成员函数
a-1;  //正确，先调用类型转换函数，把1变成类类型，之后调用友元函数
1+a;  //错误，调用成员函数时，第一个操作数必须是对象，因为第一个操作数还有调用成员函数的功能
1-a;  //正确，先类型转换 后调用友元函数

8、++和–运算符的重载实例

//https://blog.csdn.net/zhuzhaoming1994/article/details/80371779
class Point  
{  
private:  
	int x; 
public:  
	Point(int x1)
	{  	x=x1;}  
	Point& operator++();//成员函数定义自增
	
	/*函数返回临时变量，不能出现在等号的左边(临时变量不能做左值)，函数的结果只能做右值，则要返回一个const类型的值*/
	const Point operator++(int x); //后缀可以返回一个const类型的值,这里引入一个虚参数int x，x可以是任意整数。
	friend Point operator--(Point& p);//友元函数定义--
	friend const Point operator--(Point& p,int x);//后缀可以返回一个const类型的值
};  
 
Point Point::operator++()//++obj
{
	x++;
	return *this;
}
const Point Point::operator++(int x)//obj++
{
	Point temp = *this;
	this->x++;
	return temp;
}
Point operator--(Point& p)//--obj
{
	p.x--;
	return p;
         //前缀形式(--obj)重载的时候没有虚参,通过引用返回*this 或 自身引用,也就是返回变化之后的数值
}
const Point operator--(Point& p,int x)//obj--
{
	Point temp = p;
	p.x--;
	return temp;
         // 后缀形式obj--重载的时候有一个int类型的虚参, 返回原状态的拷贝
}

Point a(1);
Point b(2);
a++;//隐式调用成员函数operator++(0),后缀表达式
++a;//隐式调用成员函数operator++(),前缀表达式
b--;//隐式调用友元函数operator--(0),后缀表达式
--b;//隐式调用友元函数operator--(),前缀表达式
cout<<a.operator ++(2);//显式调用成员函数operator ++(2)，后缀表达式
cout<<a.operator ++();//显式调用成员函数operator ++()，前缀表达式
cout<<operator --(b,2);//显式调用友元函数operator --(2)，后缀表达式
cout<<operator --(b);//显式调用友元函数operator --()，前缀表达式 

9、重载输入输出操作符<< >>实例

class Point  
{  
private:  
	int x; 
public:  
	Point(int x1)
	{  	x=x1;} 
	friend ostream& operator<<(ostream& cout,const Point& p);//使用友元函数重载<<输出运算符
	friend istream& operator>>(istream& cin,Point& p);//使用友元函数重载>>输出运算符
};  
ostream& operator<<(ostream& cout,const Point& p)
{
	cout<<p.x<<endl;
	return cout;
}
istream& operator>>(istream& cin,Point& p)
{
	cin>>p.x;
	return cin;
}

• 语法：
  重载方式：只能使用友元函数重载 且 使用三个引用&

• 函数名：

  输出流： operator<<(参数表)
  输入流：operator>>(参数表)
  

• 参数表：两个参数均用引用&

  输出流： 必须是两个参数：对输出流ostream& 和 对象
                   第一个操作数cout，定义在文件iostream中，是标准类类型ostream的对象的引用。
                   如：ostream& cout,const Point& p
  输入流：必须是两个参数：对输入流ostream& 和 对象
                  第一个操作数是cin，定义在文件iostream，实际上是标准类类型istream的对象的引用
                  如：instream& cin,const Point& p
  

• 函数调用：

  输出流： 显式调用：cout<<对象
                   隐式调用： operator<<(cout，对象)
  输入流：显式调用：cin>>对象
                   隐式调用： operator>>(cin，对象)
  

返回类型：返回类型固定 + 使用返回函数引用（满足连续输出）

   输出流： 返回ostream&
                    如：ostream& operator<<(ostream& cout,const Point& p)
   输入流：返回：istream&
                    如：istream& operator>>(istream& cin,Point& p)

10、类型转换运算符重载

类型转换函数的作用是将一个类的对象转换成另一类型的数据。（C++中没有返回类型的函数有3个，构造函数、析构函数、类型转换函数。）

• 1、必须是成员函数，不能是友元函数 ，因为转换的主体是本类的对象。不能作为友元函数或普通函数。
• 2、没有参数（操作数是什么？）
• 3、不能指定返回类型（返回值的类型是由函数名中指定的类型名来确定）
• 4、函数原型：

operator 类型名( )
    {
        实现转换的语句
    }

举例：
类型转换运算符，只要你把XXX对象隐式或者显式转换为T对象时，它都会被自动调用。

//https://www.cnblogs.com/renyuan/p/6555172.html
#include  
using namespace std;  
//类型转换运算符重载，只要你把XXX对象隐式或者显式转换为T对象时，它自动被调用  
  
template<class T>  
class Transfer  
{  
public:  
    Transfer(int arg):i(arg){}  
    operator T() const  
    {  
        return i;  
    }  
private:  
    int i;  
};  
  
int main()  
{  
    Transfer<double> t(3);  
    //double d =static_cast(t);//显示转换  
    double d = t;//隐式转换  
    cout<<d;  
    getchar();  
    return 0;  
}

11、类成员访问运算符 -> 重载

类成员访问运算符（ -> ）可以被重载，它被定义用于为一个类赋予"指针"行为。运算符 -> 必须是一个成员函数。如果使用了 -> 运算符，返回类型必须是指针或者是类的对象。

#include

using namespace std;
class DBHelper//动态分配内存更加方便
{
public:
	DBHelper()
	{
		cout << " DBHelper()...." << endl;
	}
	~DBHelper()
	{
		cout << " ~DBHelper()" << endl;
		//Close();
	}
	void Open()
	{
		cout << " Open()...." << endl;
	}
	void Query()
	{
		cout << " Query()...." << endl;
	}
	void Close()
	{
		cout << " Close()...." << endl;
	}
 };

class DB
{
public:
	DB()
	{
		db_ = new DBHelper;//利用类对象确定性析构的特性
	}
	~DB()
	{
		delete db_;//利用类对象确定性析构的特性，将所包装的对象销毁掉
	}
	DBHelper* operator->()//重载指针运算符，返回的是DBHelper对象
	{
		return db_;
	}

private:
	DBHelper* db_;
};
int main()
{
	DB db;
	db->Open();
	db->Query();
	db->Close();
	return 0;
}

12、string类实例（重载综合说明）

String.h

#ifndef _STRING_H_
#define _STRING_H_
#include

using namespace std;

class String
{
public:
	String(const char* str="");
	String(const String& other);

	String& operator=(const String& other);
	String& operator=(const char* str);
	bool operator!() const;

	char& operator[](unsigned int index);
	const char& operator[](unsigned int index) const;

	friend String operator+(const String& s1, const String& s2);
	//String operator+(const String& s1, const String& s2);
	String& operator+=(const String& other);

	friend ostream& operator<<(ostream& os, const String& str);
	friend istream& operator>>(istream& is,  String& str);
	~String(void);

	void Display() const;

private:
	String& Assign(const char* str);
	char* AllocAndCpy(const char* str);
	char* str_;
};

#endif // _STRING_H_

String.cpp

#pragma warning(disable:4996)
#include "String.h"
#include 
//#include 
//using namespace std;

String::String(const char* str)
{
	str_ = AllocAndCpy(str);
}

String::String(const String& other)
{
	str_ = AllocAndCpy(other.str_);
}

String& String::operator=(const String& other)
{
	if (this == &other)
		return *this;

	/*delete[] str_;
	str_ = AllocAndCpy(other.str_);
	return *this;*/
	return Assign(other.str_);
}

String& String::operator=(const char* str)
{
	/*delete[] str_;
	str_ = AllocAndCpy(str);
	return *this;*/
	return Assign(str);
}
String& String::Assign(const char* str)
{
	delete[] str_;
	str_ = AllocAndCpy(str);
	return *this;
}
char& String::operator[](unsigned int index)
{
	return const_cast<char&>(static_cast<const String&>(*this)[index]);
	//return str_[index];
}

const char& String::operator[](unsigned int index) const
{
	return str_[index];
}
bool String::operator!() const
{
	return strlen(str_) != 0;
}



char* String::AllocAndCpy(const char* str)
{
	int len = strlen(str) + 1;
	char* newstr = new char[len];
	memset(newstr, 0, len);
	strcpy(newstr, str);

	return newstr;
}

String operator+(const String& s1, const String& s2)
{
	//int len = strlen(s1.str_) + strlen(s2.str_) + 1;
	//char* newchar = new char[len];
	//memset(newchar, 0, len);
	//strcpy(newchar, s1.str_);
	//strcat(newchar, s2.str_);

	//String tmp(newchar);//return String(newchar);内部构造函数分配空间，newchar没办法销毁
	//delete newchar;
	//return tmp;
	String str = s1;
	str += s2;
	return str;
}


String& String::operator+=(const String& other)
{
	int len = strlen(str_) + strlen(other.str_) + 1;
	char* newchar = new char[len];
	memset(newchar, 0, len);
	strcpy(newchar, str_);
	strcat(newchar, other.str_);

	delete str_;
	str_ = newchar;
	return *this;
}

//cout 类型就是ostream,第一个参数是ostream，不是对象自身，所以选择友元方式重载
//返回值还是ostream&，保证接下来的对象还能够被继续输出,
//例如 cout << str << endl;//cout << str返回值还是ostream，所以可以继续输出<< endl
ostream& operator<<(ostream& os, const String& str)
{
	os << str.str_;
	return os;
}

istream& operator >> (istream& is, String& str)
{
	char tmp[1024];
	cin >> tmp;
	str = tmp;
	return is;
}

void String::Display() const
{
	cout << str_ << endl;
}

String::~String()
{
	delete[] str_;
}

main.cpp

#include "String.h"
//#include
//
//using namespace std;

int main()
{
	String s1("abcdefg");
	//s1.Display();

	char ch = s1[2];
	//cout << ch << endl;
	s1[2] = 'A';
	//s1.Display();

	const String s2("abcdefgh");
	//s2[2] = 'C';
	//s2.Display();

	String s3 = "xxx";//String(const char* str="");前面不能加explicit,需要隐式转化
	String s4 = "yyy";
	String s5 = s3 + s4;
	s5.Display();
	//如果以函数方式重载，不允许，因为成员函数隐含的一个参数是对象自身，不能够以"aaa"任意字符串开头
	String s6 = "aaa" + s3;//不予许"bbb" + "aaa".因为String operator+(const String& s1, const String& s2)。
	s6.Display();

	s3 += s4;
	s3.Display();

	cout << s3 << endl;

	String s7;
	cin >> s7;
	cout << s7 << endl;
	return 0;
}

参考

1、https://blog.csdn.net/zgl_dm/article/details/1767201
2、https://blog.csdn.net/insistGoGo/article/details/6626952
3、https://blog.csdn.net/zhuzhaoming1994/article/details/80371779
4、https://www.cnblogs.com/xiaokang01/p/9166745.html
5、https://www.cnblogs.com/renyuan/p/6555172.html