C++运算符重载函数作为类成员函数和友元函数

-.z.C++运算符重载的方法运算符重载的方法是定义一个重载运算符的函数，在需要执行被重载的运算符时，系统就自动调用该函数，以实现相应的运算。也就是说，运算符重载是通过定义函数实现的。运算符重载实质上是函数的重载。重载运算符的函数一般格式如下：函数类型operator运算符名称(形参表列)

{

//对运算符的重载处理}

例如，想将”+”用于ple*类(复数)的加法运算，函数的原型可以是这样的：ple*operator+(ple*&c1,ple*&c2);

在上面的一般格式中，operator是关键字，是专门用于定义重载运算符的函数的，运算符名称就是C++提供给用户的预定义运算符。注意，函数名是由operator和运算符组成，上面的operator+就是函数名，意思是“对运算符+重载”。只要掌握这点，就可以发现，这类函数和其他函数在形式上没有什么区别。两个形参是ple*类对象的引用，要参为ple*类对象。在定义了重载运算符的函数后，可以说，函数operator+重载了运算符+。在执行复数相加的表达式c1+c2时（假设c1和c2都已被定义为ple*类对象），系统就会调用operator+函数，把c1和c2作为实参，与形参进行虚实结合。为了说明在运算符重载后，执行表达式就是调用函数的过程，可以把两个整数相加也想像为调用下面的函数：intoperator+(inta,intb)

{

return(a+b);

}

如果有表达式5+8，就调用此函数，将5和8作为调用函数时的实参，函数的返回值为13。这就是用函数的方法理解运算符。可以在例10.1程序的基础上重载运算符“+”，使之用于复数相加。[例10.2]改写例10.1，重载运算符“+”，使之能用于两个复数相加。*include<iostream>usingnamespacestd;classple*{public:ple*(){real=0;imag=0;}ple*(doubler,doublei){real=r;imag=i;}ple*operator+(ple*&c2);//声明重载运算符的函数voiddisplay();private:doublereal;doubleimag;};ple*ple*::operator+(ple*&c2)//定义重载运算符的函数{ple*c;c.real=real+c2.real;c.imag=imag+c2.imag;returnc;}voidple*::display(){cout<<"("<<real<<","<<imag<<"i)"<<endl;}intmain(){ple*c1(3,4),c2(5,-10),c3;c3=c1+c2;//运算符+用于复数运算cout<<"c1=";c1.display();cout<<"c2=";c2.display();cout<<"c1+c2=";c3.display();return0;}运行结果与例10.1相同：c1=(3+4i)

c2=(5-10i)

c1+c2=(8,-6i)

请比较例10.1和例10.2，只有两处不同：1)在例10.2中以operator+函数取代了例10.1中的ple*_add函数，而且只是函数名不同，函数体和函数返回值的类型都是相同的。2)在main函数中，以“c3=c1+c2;”取代了例10.1中的“c3=c1.ple*_add(c2);”。在将运算符+重载为类的成员函数后，C++编译系统将程序中的表达式c1+c2解释为c1.operator+(c2)//其中c1和c2是ple*类的对象即以c2为实参调用c1的运算符重载函数operator+(ple*&c2)，进行求值，得到两个复数之和。可以看到，两个程序的结构和执行过程基本上是相同的，作用相同，运行结果也相同。重载运算符是由相应的函数实现的。有人可能说，既然这样，何必对运算符重载呢？我们要从用户的角度来看问題，虽然重载运算符所实现的功能完全可以用函数实现，但是使用运算符重载能使用户程序易于编写、阅读和维护。在实际工作中，类的声明和类的使用往往是分离的。假如在声明ple*类时，对运算符+,-,*,/都进行了重载，则使用这个类的用户在编程时可以完全不考虑函数是怎么实现的，放心大胆地直接使用+,-,*,/进行复数的运算即可，十分方便。对上面的运算符重载函数operator+还可以改写得更简练一些：ple*ple*::operator+(ple*&c2)

{returnple*(real+c2.real,imag+c2.imag);}

return语句中的ple*(real+c2.real,imag+c2.imag)是建立一个临时对象，它没有对名，是一个无名对象。在建立临时对象过程中调用构造函数。return语句将此临时对象作为函数返回值。请思考，在例10.2中能否将一个常量和一个复数对象相加？如c3=3+c2;//错误，与形参类型不匹配应写成对象形式，如c3=ple*(3,0)+c2;//正确，类型均为对象需要说明的是，运算符被重载后，其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++已有运算符的作用围，使之能用于类对象。运算符重载对C++有重要的意义，把运算符重载和类结合起来，可以在C++程序中定义出很有实用意义而使用方便的新的数据类型。运算符重载使C++具有更强大的功能､更好的可扩充性和适应性，这是C++最吸引人的特点之一。C++运算符重载的规则C++对运算符重载定义了如下几条规则。1)C++不允许用户自己定义新的运算符，只能对已有的C++运算符进行重载。例如，有人觉得BASIC中用“**“作为幂运算符很方便，也想在C++中将”**“定义为幂运算符，用”3**5“表示35，这样是不行的。2)重载不能改变运算符运算对象(即搡作数)的个数。如关系运算符“>”和“<”等是双目运算符，重载后仍为双目运算符，需要两个参数。运算符“+”，“-”，“*”，“&”等既可以作为单目运算符，也可以作为双目运算符，可以分别将它们重载为单目运算符或双目运算符。3)重载不能改变运算符的优先级别。例如“*”和“/”优先于“+”和“-”，不论怎样进行重载，各运算符之间的优先级别不会改变。有时在程序中希望改变*运算符的优先级，也只能使用加圆括号的办法强制改变重载运算符的运算顺序。4)重载不能改变运算符的结含性。如赋值运算符是右结合性（自右至左），重载后仍为右结合性。5)重载运算符的函数不能有默认的参数，否则就改变了运算符参数的个数，与前面第(2)点矛盾。6)重载的运算符必须和用户定义的自定义类型的对象一起使用，其参数至少应有一个是类对象(或类对象的引用）。也就是说，参数不能全部是C++的标准类型，以防止用户修改用于标准类型数据的运算符的性质，如下面这样是不对的：intoperator+(inta,intb){retum(a-b);}原来运算符+的作用是对两个数相加，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，如果有表达式4+3，它的结果是7呢还是1？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类对象，也可以一个是类对象，一个是C++标准类型的数据，如ple*operator+(inta,ple*&c){returnple*(a+c.real,c.imag);}它的作用是使一个整数和一个复数相加。7)用于类对象的运算符一般必须重载，但有两个例外，运算符“=”和“&”不必重载。①赋值运算符(=)可以用于每一个类对象，可以利用它在同类对象之间相互赋值。我们知道，可以用赋值运算符对类的对象賦值，这是因为系统已为每一个新声明的类重载了一个赋值运算符，它的作用是逐个复制类的数据成员。用户可以认为它是系统提供的默认的对象赋值运算符，可以直接用于对象间的赋值，不必自己进行重载。但是有时系统提供的默认的对象赋值运算符不能满足程序的要求，例如，数据成员中包含指向动态分配存的指针成员时，在复制此成员时就可能出现危险。在这种情况下，就需要自己重载赋值运算符。②地址运算符&也不必重载，它能返回类对象在存中的起始地址。8)从理论上说，可以将一个运算符重载为执行任意的操作，如可以将加法运算符重载为输出对象中的信息，将“>”运算符重载为“小于”运算。但这样违背了运算符重载的初衷，非但没有提髙可读性，反而使人莫名其妙，无法理解程序。应当使重载运算符的功能类似于该运算符作用于标准类型数据时所实现的功能（如用“+”实现加法，用“>”实现“大于”的关系运算）。9)运算符重载函数可以是类的成员函数，也可以是类的友元函数，还可以是既非类的成员函数也不是友元函敝的普通函数。以上这些规则是很容易理解的，不必死记。把它们集中在一起介绍，只是为了使读者有一个整体的概念，也便于查阅。C++允许重载的运算符和不允许重载的运算符C++中绝大部分的运算符允许重载，具体规定见表10.1。表10.1C++允许重载的运算符双目算术运算符+(加)，-(减)，*(乘)，/(除)，%

(取模)关系运算符==(等于)，!=(不等于)，<(小于)，>(大于>，<=(小于等于)，>=(大于等于)逻辑运算符||(逻辑或)，&&(逻辑与)，!(逻辑非)单目运算符+(正)，-(负)，*(指针)，&(取地址)自增自减运算符++(自增)，--(自减)位运算符|(按位或)，&(按位与)，~(按位取反)，^(按位异或),，<<

(左移)，>>(右移)赋值运算符=,+=,-=,*=,/=,%=,&=,|=,^=,<<=,>>=空间申请与释放new,delete,new[],delete[]其他运算符()(函数调用)，->(成员访问)，->*(成员指针访问)，,(逗号)，[](下标)不能重载的运算符只有5个：.(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）前两个运算符不能重载是为了保证访问成员的功能不能被改变，域运算符和sizeof运算符的运算对象是类型而不是变量或一般表达式，不具备重载的特征。C++运算符重载函数作为类成员函数和友元函数例10.2中对运算符“+”进行了重载，使之能用于两个复数的相加。在该例中运算符重载函数operator+作为ple*类中的成员函数。可能有的读者会提出这样的问题：”+“是双目运算符，为什么在例10.2程序中的重载函数中只有一个参数呢？实际上，运算符重载函数有两个参数，由于重载函数是ple*类中的成员函数，有一个参数是隐含的，运算符函数是用this指针隐式地访问类对象的成员。可以看到，重载函数operator+访问了两个对象中的成员，一个是this指针指向的对象中的成员，一个是形参对象中的成员。如this->real+c2.real，this->real就是c1.real。上节中已说明，在将运算符函数重载为成员函数后，如果出现含该运算符的表达式，如c1+c2，编译系统把它解释为：c1.operator+(c2)即通过对象c1调用运算符重载函数，并以表达式中第二个参数(运算符右侧的类对象c2)作为函数实参。运算符重载函数的返回值是ple*类型，返回值是复数c1和c2之和(ple*(c1.real+c2.real,c1.imag+c2.imag))。运算符重载函数除了可以作为类的成员函数外，还可以是非成员函数。可以将例10.2改写为例10.3。[例10.3]将运算符“+”重载为适用于复数加法，重载函数不作为成员函数，而放在类外，作为ple*类的友元函数。*include<iostream>usingnamespacestd;//注意，该程序在VC6.0中编译出错，将以上两行替换为*include<iostream.h>即可顺利通过classple*{public:ple*(){real=0;imag=0;}ple*(doubler,doublei){real=r;imag=i;}friendple*operator+(ple*&c1,ple*&c2);//重载函数作为友元函数voiddisplay();private:doublereal;doubleimag;};ple*operator+(ple*&c1,ple*&c2)//定义作为友元函数的重载函数{returnple*(c1.real+c2.real,c1.imag+c2.imag);}voidple*::display(){cout<<"("<<real<<","<<imag<<"i)"<<endl;}intmain(){ple*c1(3,4),c2(5,-10),c3;c3=c1+c2;cout<<"c1=";c1.display();cout<<"c2=";c2.display();cout<<"c1+c2=";c3.display();}与例10.2相比较，只作了一处改动，将运算符函数不作为成员函数，而把它放在类外，在ple*类中声明它为友元函数。同时将运算符函数改为有两个参数。在将运算符“+”重载为非成员函数后，C++编译系统将程序中的表达式c1+c2解释为operator+(c1,c2)即执行c1+c2相当于调用以下函数：ple*operator+(ple*&c1，ple*&c2){returnple*(c1.real+c2.real，c1.imag+c2.imag);}求出两个复数之和。运行结果同例10.2。为什么把运算符函数作为友元函数呢？因为运算符函数要访问ple*类对象中的成员。如果运算符函数不是ple*类的友元函数，而是一个普通的函数，它是没有权利访问ple*类的私有成员的。在上节中曾提到过：运算符重载函数可以是类的成员函数，也可以是类的友元函数，还可以是既非类的成员函数也不是友元函数的普通函数。现在分别讨论这3种情况。首先，只有在极少的情况下才使用既不是类的成员函数也不是友元函数的普通函数，原因是上面提到的，普通函数不能直接访问类的私有成员。在剩下的两种方式中，什么时候应该用成员函数方式，什么时候应该用友元函数方式？二者有何区别呢？如果将运算符重载函数作为成员函数，它可以通过this指针自由地访问本类的数据成员，因此可以少写一个函数的参数。但必须要求运算表达式第一个参数(即运算符左侧的操作数)是一个类对象，而且与运算符函数的类型相同。因为必须通过类的对象去调用该类的成员函数，而且只有运算符重载函数返回值与该对象同类型，运算结果才有意义。在例10.2中，表达式c1+c2中第一个参数c1是ple*类对象，运算符函数返回值的类型也是ple*，这是正确的。如果c1不是ple*类，它就无法通过隐式this指针访问ple*类的成员了。如果函数返回值不是ple*类复数，显然这种运算是没有实际意义的。如想将一个复数和一个整数相加，如c1+i，可以将运算符重载函数作为成员函数，如下面的形式：ple*ple*∷operator+(int&i)//运算符重载函数作为ple*类的成员函数{returnple*(real+i，imag);}注意在表达式中重载的运算符“+”左侧应为ple*类的对象，如：c3=c2+i;不能写成c3=i+c2;//运算符“+”的左侧不是类对象，编译出错如果出于*种考虑，要求在使用重载运算符时运算符左侧的操作数是整型量(如表达式i+c2，运算符左侧的操作数i是整数)，这时是无法利用前面定义的重载运算符的，因为无法调用i.operator+函数。可想而知，如果运算符左侧的操作数属于C++标准类型(如int)或是一个其他类的对象，则运算符重载函数不能作为成员函数，只能作为非成员函数。如果函数需要访问类的私有成员，则必须声明为友元函数。可以在ple*类中声明：friendple*operator+(int&i，ple*&c);//第一个参数可以不是类对象在类外定义友元函数：ple*operator+(int&i,ple*&c)//运算符重载函数不是成员函数{returnple*(i+c.real,c.imag);}将双目运算符重载为友元函数时，在函数的形参表列中必须有两个参数，不能省略，形参的顺序任意，不要求第一个参数必须为类对象。但在使用运算符的表达式中，要求运算符左侧的操作数与函数第一个参数对应，运算符右侧的操作数与函数的第二个参数对应。如：c3=i+c2;//正确，类型匹配c3=c2+i;//错误，类型不匹配请注意，数学上的交换律在此不适用。如果希望适用交换律，则应再重载一次运算符“+”。如ple*operator+(ple*&c，int&i)//此时第一个参数为类对象{returnple*(i+c.real,c.imag);}这样，使用表达式i+c2和c2+i都合法，编译系统会根据表达式的形式选择调用与之匹配的运算符重载函数。可以将以上两个运算符重载函数都作为友元函数，也可以将一个运算符重载函数(运算符左侧为对象名的)作为成员函数，另一个(运算符左侧不是对象名的)作为友元函数。但不可能将两个都作为成员函数，原因是显然的。C++规定，有的运算符(如赋值运算符、下标运算符、函数调用运算符)必须定义为类的成员函数，有的运算符则不能定义为类的成员函数(如流插入“<<”和流提取运算符“>>”、类型转换运算符)。由于友元的使用会破坏类的封装，因此从原则上说，要尽量将运算符函数作为成员函数。但考虑到各方面的因素，一般将单目运算符重载为成员函数，将双目运算符重载为友元函数。在学习了本章第10.7节例10.9的讨论后，读者对此会有更深入的认识。说明：有的C++编译系统(如VisualC++6.0)没有完全实现C++标准，它所提供不带后缀.h的头文件不支持把成员函数重载为友元函数。上面例10.3程序在GCC中能正常运行，而在VisualC++6.0中会编译出错。但是VisualC++所提供的老形式的带后缀.h的头文件可以支持此项功能，因此可以将程序头两行修改如下，即可顺利运行：*include<iostream.h>以后如遇到类似情况，亦可照此办理。//OverLoad.cpp:定义控制台应用程序的入口点。//*include"stdaf*.h"*include<iostream>usingnamespacestd;classple*{public: friendple*operator-(constple*&lhs,constple*&rhs);//非成员函数友元函数friendple*operator+(constple*&lhs,constple*&rhs);//非成员函数友元函数ple*(constple*&c); ple*(){real=0;imag=0;} constple*&operator=(constple*&c); ple*(doubler,doublei){real=r;imag=i;} ple*operator+(constple*&rhs);//声明重载运算符的函数ple*operator+=(constple*&rhs); //ple*operator+(constple*&lhs,constple*&rhs);//error二进制“operator*”的参数太多//重载的函数为成员函数的时候this自动绑定到左侧对象参数数量少一个booloperator==(constple*&rhs); //booloperator==(constple*&lhs,constple*&rhs);//error二进制“operator*”的参数太多booloperator!=(constple*&rhs); ple*operator*(constple*&rhs); //ple*operator*(constple*&lhs,constple*&rhs);//error二进制“operator*”的参数太多voiddisplay();private: doublereal; doubleimag;};ple*operator-(constple*&lhs,constple*&rhs)//非成员函数访问私有变量必须定义为友元函数{ple*result; result.real=lhs.real-rhs.real; result.imag=lhs.imag-rhs.imag; returnresult;}ple*operator+(constple*&lhs,constple*&rhs)//非成员函数访问私有变量必须定义为友元函数{ple*result; result.real=lhs.real+rhs.real; result.imag=lhs.imag+rhs.imag; returnresult;}constple*&ple*::operator=(constple*&c){ real=c.real; imag=c.imag; return*this;}ple*::ple*(constple*&c){ real=c.real; imag=c.imag;}ple*ple*::operator*(co