Kotlin学习（十七）: 运算符重载

日本编程丛书-图片源于网络

在前面写了关于集合和范围的内容，里面包括了一点运算符重载的内容，在这里我们来详细了解运算符重载的知识，内容参考《Kotlin实战》（Kotlin in Action）。

什么是运算符重载？

简单来说，就是Kotlin通过调用自己代码中定义特定的函数名的函数（成员函数或者扩展函数），并且用operator修饰符标记，来实现特定的语言结构，例如如果你在一个类上面定义了一个特定函数命名plus的函数，那么按照Kotlin的约定，可用在这个类的实例上使用+运算符，下面是代码。

用于重载运算符的所有函数都必须使用operator关键字标记。

// 一个简单的数据类
data class Foo(val x: Int, val y: Int) {
    operator fun plus(other: Foo) : Foo = Foo(x + other.x, y + other.y)
}

fun main(args: Array) {
    // 使用的时候
    val f1 = Foo(10, 20)
    val f2 = Foo(30, 40)
    // 直接用+运算符代替plus函数，事实上会调用plus函数
    println(f1 + f2) // 打印内容为Foo(x=40, y=60)
}

那么Java如何调用运算符函数呢？

重载的运算符实际上是被定义成一个函数，Java调用Kotlin运算符就跟调用普通函数一样调用就行。

重载算术运算符

算术运算符包括二元运算符、复合赋值运算符、一元运算符，当Kotlin在给一个集合添加元素的时候，是调用add方法，用到重载的话，我们就可以直接用+=来进行这个操作，就会显得更加的优雅。。。

fun Any.println() = println(this)

fun main(args: Array) {
    val list = arrayListOf(1, 2 ,3)
    list.println() // 打印[1, 2, 3]
    list.add(4)
    list.println() // 打印[1, 2, 3, 4]
    list += 5
    list.println() // 打印[1, 2, 3, 4, 5]
}

重载二元算术运算符

二元算术运算符就是常见的+、-、*、/和取余%，优先级与数学的是一样的，*、/和%要高于+、-的优先级。

下面我们列举对应的函数名：

表达式	函数名
a * b	times
a / b	div
a % b	rem,mod(弃用)
a + b	plus
a - b	minus

下面我们来写个类，里面包含这几种函数，同时还有扩展函数的定义。

fun Any.println() = println(this)

// Extension
operator fun Foo.minus(other: Foo): Foo = Foo(x - other.x, y - other.y)
operator fun Foo.div(other: Foo): Foo = Foo(x / other.x, y / other.y)

data class Foo(val x: Int, val y: Int) {
    operator fun plus(other: Foo): Foo = Foo(x + other.x, y + other.y)
    operator fun times(other: Foo): Foo = Foo(x * other.x, y * other.y)
    operator fun rem(other: Foo): Foo = Foo(x % other.x, y % other.y)
}

fun main(args: Array) {
    val f1 = Foo(30, 40)
    val f2 = Foo(10, 20)
    (f1 - f2).println() // 打印Foo(x=20, y=20)
    (f1 + f2).println() // 打印Foo(x=40, y=60)
    (f1 * f2).println() // 打印Foo(x=300, y=800)
    (f1 / f2).println() // 打印Foo(x=3, y=2)
    (f1 % f2).println() // 打印Foo(x=0, y=0)
}

除了定义相同类型的运算数之外，还能定义运算数类型不同的运算符：

data class Foo(val x: Int, val y: Int) {
    operator fun times(other: Double): Foo = Foo((x * other).toInt(), (y * other).toInt())
}

fun main(args: Array) {
    val f1 = Foo(30, 40)
    (f1 * 1.5).println() // 打印Foo(x=45, y=60)
}

当你通过这样子去调用这个运算符的时候

(1.5 * f1).println()

这时候，编译器会提示你出错了

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为什么会这样呢？

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因为Kotlin的运算符不会自动至此交换性（交换运算符的左右两边）。

那要怎么样才能那样写呢？

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需要定义一个单独的运算符

operator fun Double.times(other: Foo): Foo = Foo((this * other.x).toInt(), (this * other.y).toInt())

这样子就能直接支持运算符两边互换使用了。。。

(f1 * 1.5).println()
(1.5 * f1).println()

运算符函数不是单一返回类型的，也是可以定义不同的返回类型，下面举个栗子：

operator fun Char.times(count: Int): String = toString().repeat(count)

fun main(args: Array) {
    ('a' * 3).println() // 打印aaa
}

在上面的代码中，这个运算符是Char类型的扩展函数，参数类型是Int类型，所以是Char * Int这样的操作，返回类型是String。

注意：运算符和普通函数一样，可以重载operator函数，可以定义多个同名，但是参数不一样的方法。

重载复合赋值运算符

什么是复合赋值运算符？
类似于+=这样的，合并了两部操作的运算符，同时赋值，称为符合运算符。

下面我们列举对应的函数名：

表达式	函数名
a += b	timesAssign
a /= b	divAssign
a %= b	remAssign
a += b	plusAssign
a -= b	minusAssign

fun main(args: Array) {
    var f1 = Foo(1, 2)
    f1 += Foo(3, 4)
    f1.println() // 打印Foo(x=4, y=6)
}

上面的+=等同于f1 = f1 + Foo(3, 4)，这些操作当然是只对可变变量有效的。

默认情况下，复合赋值运算符是可以修改变量所引用的对象，同时重新分配引用，但是在将一个元素添加到一个可变集合的时候，+=是不会重新分配引用的：

fun main(args: Array) {
    val list = mutableListOf()
    list += 42
    list.println() // 打印[42]
}

同样我们可以对复合赋值运算符进行重载，同样可以定义多个同名，但是参数不一样的方法：

operator fun MutableCollection.plusAssign(element: Int) {
    this.add(element - 1)
}

fun main(args: Array) {
    val list = mutableListOf()
    list += 42
    list.println() // 打印[41]
}

如果在plus和plusAssign两个函数同时被定义且适用，那么编译器就会报错，最好在设计新类的时候保持（可变性）一致，尽量不同时定义plus和plusAssign运算。如Foo类是不可变的，那么只提供plus运算，如果一个类是可变的，如构造器，那么只需提供plusAssign和类似的运算就够了。

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实际上+=可以被转换为plus或者plusAssign函数调用，而Kotlin的标准库中为集合支持这两种方法。

• +和-运算符会返回一个新的集合。
• +=和-=用于可变集合，会修改集合，如果是只读，那么就会返回一个修改过的副本，也就是说只有在只读集合被定义为var类型的时候，才能使用+=和-=。

fun main(args: Array) {
    // 可变类型
    val list = mutableListOf(1, 2)
    // += 修改list
    list += 3
    // + 返回一个新的List
    val newList = list + listOf(4, 5) // 除了使用单个元素参数，也可使用元素类型相同的集合
    list.println() // 打印[1, 2, 3]
    newList.println() // 打印[1, 2, 3, 4, 5]
    var varList = listOf(1, 2)
    // 只读集合类型为var
    varList.println() // 打印[1, 2]
    varList += 3
    varList.println() // 打印[1, 2, 3]
}

重载一元运算符

Kotlin中允许重载一元运算符，如-a,+a等等，同样我们列举支持的一元运算符和对应的函数名：

表达式	函数名
+a	unaryPlus
-a	unaryMinus
!a	not
++a, a++	inc
--a, a--	dec

重载一元运算符过程与前面一样，通过预先定义的一个名称来声明函数（成员函数或者扩展函数），并且用operator修饰符标记。

注意：一元运算符是没有参数的。

data class Foo(val x: Int, val y: Int)

operator fun Foo.unaryMinus() = Foo(-x, -y)

fun main(args: Array) {
    val f1 = Foo(1, 2)
    (-f1).println() // 打印Foo(x=-1, y=-2)
}

当重载自增自减运算符符是，编译器自动支持前缀--a和后缀a--语义。

operator fun BigDecimal.inc() = this + BigDecimal.ONE

fun main(args: Array) {
    var bd = 0
    (bd++).println() // 打印0
    (++bd).println() // 打印2
}

重载比较运算符

比较运算符，可以在除了基本数据类型外的任意对象上使用，当Java中使用equals或compareTo时，在Kotlin中，直接用运算符重载。
比较运算符分为等号运算符和排序运算符。

表达式	函数名
a == b	a?.equals(b) ?: (b === null)
a != b	!(a?.equals(b) ?: (b === null))
a > b	a.compareTo(b) > 0
a < b	a.compareTo(b) < 0
a >= b	a.compareTo(b) >= 0
a <= b	a.compareTo(b) <= 0

等号运算符equals

在我们平时使用判断字符串是否与某个字符串相等的时候，会使用equals函数来判断，然而在Kotlin中，我们可以是用==来代替equals函数，~=来代替!qeuals。
在Java中如果使用null对象来equals的话，会爆空指针异常，而Kotlin中的==是支持可空类型的，因为会先判断是否为空，如a == b会先检查a是否为空，如果不是，就会调用a.equals(b)，否则只有两个参数都是空值，结果才为真。

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下面我们来重载equals运算符

data class Foo(val x: Int, val y: Int) {
    override operator fun equals(other: Any?): Boolean = when {
        // 使用恒等运算符来判断两个参数是否同一个对象的引用
        other === this -> true
        other !is Foo -> false
        else -> other.x == x && other.y == y
    }
}

fun main(args: Array) {
    val f1 = Foo(1, 2)
    val f2 = Foo(1, 2)
    val f3 = Foo(10, 20)
    (f1 == f2).println() // true
    (f1 == f2).println() // true
    (f1 != f2).println() // false
    (null == f1).println() // false
}

注意：===与Java一样，检查两个参数是否是同一个对象的引用，如果是基本数据类型，检查值是否相同，===和!==不能被重载。

排序运算符compareTo

在Java中，基本数据类型集合排序通常都是使用<和>来比较，而其他类型需要使用element1.compareTo(element2)来比较的。而在Kotlin中，通过使用比较运算符(>``<``>=``<=)来进行比较。

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比较运算符会被转换成compareTo函数，compareTo的返回类型必须为Int。

class Person(private val firstName: String, private val lastName: String) : Comparable {
    override fun compareTo(other: Person): Int = compareValuesBy(this, other, Person::lastName, Person::firstName)
}

fun main(args: Array) {
    (Person("Alice", "Smith") < Person("Bob", "Johnson")).println() // 打印false
}

compareValuesBy函数是按顺序依次调用回调方法，两两一组分别做比较，然后返回结果，如果则返回比较结果，如果相同，则继续调用下一个，如果没有更多回调来调用，则返回0。

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override标记

Any

Comparable

从上面可以看到，equals和compareTo都是被override标记的，之所以会被标记，是因为在Any类中已经定义了equals函数，而所有的对象都默认继承Any类，所有才重载的时候需要使用override标记，而且equals不能定义为扩展函数，因为Any类的实现是重要优先于扩展函数。
同样，compareTo在Comparable接口中已经定义了，所有在重载的时候，需要使用override标记。