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在 C++ 中的运算符重载

news 2025/9/6 17:58:40

在 C++ 中，运算符重载允许程序员为自定义类型（如类和结构体）重新定义运算符的行为，使得这些运算符可以用于自定义类型的对象。这样可以让代码更加直观和自然。下面从基本概念、语法、注意事项以及示例几个方面详细介绍 C++ 运算符重载。

基本概念

运算符重载本质上是一种函数重载，通过定义一个特殊的函数（运算符重载函数）来实现。当对自定义类型的对象使用被重载的运算符时，编译器会自动调用相应的运算符重载函数。

语法

运算符重载函数的一般形式如下：

返回类型 operator运算符(参数列表) {
    // 函数体
}

返回类型：指定运算符重载函数的返回值类型。
operator：是 C++ 中的关键字，用于声明一个运算符重载函数。
运算符：要重载的运算符，如 +、-、*、/ 等。
参数列表：根据运算符的不同，参数列表可以包含一个或多个参数。

注意事项

不能重载的运算符：.（成员访问运算符）、.*（成员指针访问运算符）、::（作用域解析运算符）、?:（条件运算符）、sizeof（求字节数运算符）。
运算符的优先级和结合性：重载运算符不会改变运算符的优先级和结合性。
至少有一个操作数是自定义类型：运算符重载的目的是为自定义类型提供特殊的运算行为，因此至少有一个操作数必须是自定义类型（如类或结构体）。

示例

1. 重载 `+` 运算符

#include <iostream>

class Complex {
private:
    double real;
    double imag;
public:
    Complex(double r = 0.0, double i = 0.0) : real(r), imag(i) {}

    // 重载 + 运算符
    Complex operator+(const Complex& other) const {
        return Complex(real + other.real, imag + other.imag);
    }

    // 输出复数
    void display() const {
        std::cout << real;
        if (imag >= 0) {
            std::cout << " + " << imag << "i" << std::endl;
        } else {
            std::cout << " - " << -imag << "i" << std::endl;
        }
    }
};

int main() {
    Complex c1(1.0, 2.0);
    Complex c2(3.0, 4.0);
    Complex c3 = c1 + c2;

    std::cout << "c1: ";
    c1.display();
    std::cout << "c2: ";
    c2.display();
    std::cout << "c1 + c2: ";
    c3.display();

    return 0;
}

在上述代码中，我们定义了一个 Complex 类来表示复数。通过重载 + 运算符，我们可以直接使用 + 对两个 Complex 对象进行加法运算。

2. 重载 `<<` 运算符（用于输出流）

#include <iostream>

class Point {
private:
    int x;
    int y;
public:
    Point(int x = 0, int y = 0) : x(x), y(y) {}

    // 重载 << 运算符（作为友元函数）
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Point& p) {
        os << "(" << p.x << ", " << p.y << ")";
        return os;
    }
};

int main() {
    Point p(3, 4);
    std::cout << "Point: " << p << std::endl;

    return 0;
}

在这个示例中，我们重载了 << 运算符，使得可以直接使用 std::cout 输出 Point 对象。需要注意的是，<< 运算符通常作为友元函数进行重载，因为它的第一个参数是 std::ostream& 类型。

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在 C++ 中，运算符重载允许程序员为自定义类型（如类和结构体）重新定义运算符的行为，使其能够像内置类型一样进行运算符操作。下面详细介绍 C++ 中运算符重载实现的原理。

基本概念

运算符重载实际上是一种特殊的函数重载，它允许程序员为已有的运算符赋予新的功能，以适应自定义类型的操作。运算符重载的本质是定义一个函数，该函数名由关键字 operator 后跟要重载的运算符组成。

实现步骤

1. 定义运算符重载函数

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或普通的全局函数。以下是不同类型的运算符重载函数的定义方式：

成员函数形式

class Complex {
private:
    double real;
    double imag;
public:
    Complex(double r = 0, double i = 0) : real(r), imag(i) {}

    // 重载 + 运算符，成员函数形式
    Complex operator+(const Complex& other) const {
        return Complex(real + other.real, imag + other.imag);
    }
};

在成员函数形式的运算符重载中，this 指针隐式地表示左操作数，而函数参数表示右操作数。

友元函数形式

class Complex {
private:
    double real;
    double imag;
public:
    Complex(double r = 0, double i = 0) : real(r), imag(i) {}

    // 声明友元函数
    friend Complex operator+(const Complex& c1, const Complex& c2);
};

// 实现友元函数形式的 + 运算符重载
Complex operator+(const Complex& c1, const Complex& c2) {
    return Complex(c1.real + c2.real, c1.imag + c2.imag);
}

友元函数可以访问类的私有成员，它没有 this 指针，因此需要显式地将两个操作数作为参数传递。

全局函数形式
如果运算符重载函数不涉及访问类的私有成员，也可以定义为普通的全局函数。

2. 调用运算符重载函数

当使用重载的运算符时，编译器会根据操作数的类型自动调用相应的运算符重载函数。例如：

int main() {
    Complex c1(1, 2);
    Complex c2(3, 4);
    Complex c3 = c1 + c2;  // 调用运算符重载函数
    return 0;
}

在上述代码中，c1 + c2 实际上会调用 operator+ 函数进行复数的加法运算。

实现原理

编译器的处理过程

解析运算符表达式：当编译器遇到一个使用了重载运算符的表达式时，它会根据操作数的类型来确定是否存在合适的运算符重载函数。
查找匹配的函数：编译器会在当前作用域内查找与操作数类型匹配的运算符重载函数。如果找到了匹配的函数，就会调用该函数进行运算。
调用函数：一旦找到匹配的运算符重载函数，编译器会将运算符表达式转换为对该函数的调用。例如，c1 + c2 会被转换为 c1.operator+(c2)（成员函数形式）或 operator+(c1, c2)（友元函数或全局函数形式）。

注意事项

不能重载的运算符：在 C++ 中，有一些运算符是不能被重载的，如 .（成员访问运算符）、.*（成员指针访问运算符）、::（作用域解析运算符）、?:（条件运算符）和 sizeof 运算符。
运算符的优先级和结合性：运算符重载不会改变运算符的优先级和结合性，它们仍然遵循 C++ 语言的规定。