重载运算符与友元函数

本次博客 主要学习运算符重载和友元函数。其中

运算符重载能够将平时用于内置类型的变量的操作符(如+，-，*，/等)用于类对象；

友元这种C++机制使得非成员函数可以访问私有数据。

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一、重载运算符

    重载运算符，将普通运算符重载扩展到用户自定义类型，编译器根据具体环境来选用。（有点像重载函数—多态：函数名相同，但函数列表不同）这样做使代码看起来更加自然，同时隐藏了内部机理，强调了OOP的实质。

    重载运算符，必须需要使用运算符函数的特殊函数格式，如下

    operatorop(argument-list)

    其中，op必须是有效的C++运算符。

重载运算符是怎样工作的？

    理解重载运算符是怎样工作的？假定Time类，并为它定义一个operator+()成员函数，以重载+运算符，以便能够将两个Time类对象相加。等式：

T = t1 + t2 ;

    编译器发现，操作数都是Time类对象，因此调用相应的运算符函数替换上述运算符：

T= t1. operator+( t2);

    该函数隐式地使用了t1(因为它调用了方法)，而显式地使用t2对象（因为它被作为参数传递）。

    因此，在运算符表示法中，运算符左侧的对象（这里为t1）是调用对象，运算符右边的对象（这里为t2）是作为参数被传递的对象。

扩展

    当两个以上的对象相加时，如何转化为函数调用

T = t1 + t2 +t3;

    由于+是从左向右的运算符，因此，

T= t1. operator+( t2+t3);  //第一步
T= t1. operator+( t2. operator+(t3) );//第二步

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二、友元函数的引入

    在前面重载运算符的学习中，我们已经知道了，运算符左侧的操作数是调用对象，运算符右侧的操作数是参数。比如：

A = B * 2.75;

    将被转换为下面的成员函数调用：

A = B.operator*(2.75);

    可是下面的语句如何办呢？

A = 2.75 * B;

    函数左侧是操作对象，而2.75不能作为操作对象，因此编译器不能使用成员函数调用来替换该表达式。

    解决方案一：

    告诉每个人只能用B*2.75这种格式写。显然这是一种对服务器友好，对客户需要当心的一种解决方案。

    解决方案二：

    对该重载运算符函数进行多态实现。

Time operator*(double m,const Time & t)
{
    Return t * m;  //use t.operator(m)
}

    解决方案三：

    引入友元函数的思想来解决。

     1）首先将该函数修改非成员函数。

    对于非成员重载运算符函数来说，运算符表达式左边的操作数对应于运算符函数的第一个参数，运算符表达式右边的操作数对应于运算符函数的第二个参数。

     2）引入友元函数

    因此，此时使用非成员函数按所需的顺序获得操作数，2.75作为函数第一个参数，B作为第二个参数。但引发一个新问题：普通非成员函数不能直接访问类的私有成员，然而，有一类特殊的非成员函数可以访问类的私有成员，它们被称为友元函数。

    格式：

friend Time operator*(double m,const Time & t)

    该原型意味着：

• 虽然operator*()函数是在类声明中声明的，但它不是成员函数，因此不能使用成员运算符来调用。
• 虽然operator*()函数不是成员函数，但它与成员函数的访问权限相同。

    总之，类的友元函数是非成员函数，其访问权限与成员函数相同。

    注意，编写函数定义时，不能使用Time::限定符，不能加关键字friend。

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三、代码部分

    类的声明：

    Time类提供了用于调整和重新设置时间、显示时间、将两个时间相加/减的方法； 构造函数； 友元函数的声明。

//mytime.h
#ifndef MYTIME_H_
#define MYTIME_H_

#include 

class Time
{
    private:
        int hours;
        int minutes;
    public:
        Time();
        Time(int h,int m = 0); //构造函数

        void AddMin(int m);
        void AddHr(int h);
        void Reset(int h = 0,int m = 0);

        Time operator+(const Time & t) const;
        Time operator-(const Time & t) const;
        Time operator*(double n) const;
        friend Time operator*(double m,const Time & t)
            { return t * m ;} //内联函数定义 
        friend std::ostream & operator<<(std::ostream &os, const Time & t);
};

#endif

    类的定义

//mytime.cpp
#include "mytime.h"

Time::Time()
{
    hours = minutes = 0;
}

Time::Time(int h,int m)
{
    hours = h;
    minutes = m;
}

void Time::AddMin(int m)
{
    minutes += m;
    hours += minutes / 60;
    minutes %= 60; 
}

void Time::AddHr(int h)
{
    hours += h;
}

void Time::Reset(int h,int m)
{
    hours = h;
    minutes = m;
}

Time Time::operator+(const Time & t) const
{
    Time sum;
    sum.minutes = minutes + t.minutes;
    sum.hours = hours + t.hours + sum.minutes /60;
    sum.minutes = sum.minutes % 60;

    return sum;
}

Time Time::operator-(const Time & t) const
{
    Time diff;
    int tot1,tot2;
    tot1 = t.minutes + t.hours * 60;
    tot2 =minutes + hours * 60;

    diff.hours  =  (tot2 -tot1) /60; //小时 
    diff.minutes =  (tot2 -tot1) % 60;//分钟 

    return diff;
}

Time Time::operator*(double mult) const
{
    Time result;
    long totalminutes = hours * mult * 60 +minutes *mult; //总分钟 

    result.hours = totalminutes /60;
    result.minutes = totalminutes % 60;

    return result;
}

std::ostream & operator<<(std::ostream & os,const Time & t) 
{
    os << t.hours << " hours," << t.minutes <<" minutes";
    return os; //对象本身返回还是对象，方便级联使用 
}

    类的使用

//usetime.cpp
#include "mytime.h"
#include 

int main()
{
    using std::cout;
    using std::endl;

    Time t1(3,35);
    Time t2(2,48);
    Time temp;

    cout << "t1 and t2:\n";
    cout << t1 <<"; " <//利用重载符 operator+()
    cout << "t1+t2:   "<//利用重载符 operator-()
    cout << "t1-t2:   "<1.17;  //利用重载符 operator*() 顺序 
    cout << "t1*1.17:   "<1.17 * t1;  //利用重载符 operator*() 逆序 
    cout << "1.17*t1:   "<//利用重载符 operator<<()级联 
    cout << "10.0*t1:   " <<10.0*t1<<"10.0*t2:   " <<10.0*t2<return 0;
}

    截图：

    注意：

     1. 当总的分钟数超过59时，函数是通过整数除法和求模运算调整minutes和hours的值的。

     2. 函数的参数是引用传递，目的是提高效率。传值也能实现，但是传递引用速度更快，使用的内存更少。

     3. 函数的返回值不能是引用。返回对象将创建对象的副本，函数结束时虽然销毁了局部变量，而调用函数使用的是所构造的副本。然而，如果返回类型为引用，由于局部变量在函数结束时被删除，因此引用将指向一个不存在的对象。

       因此，不要返回指向局部变量/临时对象的引用。函数执行完毕后，局部变量和临时对象将消失，引用将指向不存在的数据。