C++ 第二阶段：运算符重载 - 第二节：重载与 const 成员函数

目录

一、const 成员函数的核心概念

1.1 什么是 const 成员函数？

1.2 const 成员函数的语法

1.3 const 成员函数的实现原理

二、运算符重载与 const 成员函数的结合

2.1 为什么需要 const 成员函数重载？

2.2 流输出运算符 << 的 const 重载

2.3 赋值运算符 = 的 const 限制

三、const 成员函数与运算符重载的注意事项

3.1 const 成员函数的语义一致性

3.2 const 成员函数的返回值设计

3.3 const 成员函数与自赋值检测

四、常见运算符重载的 const 版本设计

4.1 下标运算符 []

4.2 流输出运算符 <<

4.3 前置/后置自增运算符 ++

五、常见错误与解决方案

5.1 错误：const 对象调用非 const 成员函数

5.2 错误：const 成员函数修改成员变量

5.3 错误：赋值运算符重载为 const 成员函数

六、总结

6.1 核心要点

6.2 最佳实践

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一、const 成员函数的核心概念

1.1 什么是 const 成员函数？

• 定义：const 成员函数是通过在成员函数声明和定义的末尾添加 const 关键字来修饰的函数。
• 作用：
  1. 保证函数内部不会修改类的成员变量。
  2. 允许 const 对象调用该函数。
  3. 防止权限放大问题（避免通过 const 对象调用非 const 函数）。

1.2 const 成员函数的语法

class MyClass {
public:int data;// const 成员函数void print() const {std::cout << data << std::endl;  // 合法：data 是只读的// data = 10;  // 非法：不能修改成员变量}
};

1.3 const 成员函数的实现原理

• const 实际上修饰的是隐含的 this 指针，即：

  void MyClass::print() const {// 等价于 this 是 const MyClass*
  }

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二、运算符重载与 const 成员函数的结合

2.1 为什么需要 const 成员函数重载？

当需要对 const 对象 使用运算符时，必须提供 const 版本的运算符重载函数，否则会导致编译错误。

示例：下标运算符 [] 的 const 重载

class Array {
private:int data[10];
public:Array() {for (int i = 0; i < 10; ++i) {data[i] = i * 2;}}// 非 const 版本：允许修改元素int& operator[](int index) {return data[index];}// const 版本：仅允许读取元素const int& operator[](int index) const {return data[index];}
};int main() {const Array arr;std::cout << arr[3] << std::endl;  // 调用 const 版本的 operator[]// arr[3] = 100;  // 编译错误：const 对象不能调用非 const 运算符return 0;
}

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2.2 流输出运算符 << 的 const 重载

流输出运算符 << 通常需要以友元函数实现，且参数必须为 const，以支持 const 对象。

#include <iostream>class Vector2 {
public:int x, y;Vector2(int a, int b) : x(a), y(b) {}// 友元函数实现 << 运算符friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Vector2& vec);
};// 定义时必须标记为 const
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Vector2& vec) {os << "(" << vec.x << ", " << vec.y << ")";return os;
}int main() {const Vector2 v(5, 7);std::cout << v << std::endl;  // 输出: (5, 7)return 0;
}

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2.3 赋值运算符 = 的 const 限制

• 赋值运算符必须是非 const 成员函数，因为它会修改当前对象的状态。
• 赋值运算符不能重载为 const 成员函数，否则会导致逻辑错误。

class String {
private:char* data;
public:String(const char* str) {data = new char[strlen(str) + 1];strcpy(data, str);}// 赋值运算符重载（非 const）String& operator=(const String& other) {if (this == &other) return *this;  // 自赋值检测delete[] data;  // 释放旧资源data = new char[strlen(other.data) + 1];strcpy(data, other.data);return *this;}~String() {delete[] data;}
};

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三、const 成员函数与运算符重载的注意事项

3.1 const 成员函数的语义一致性

• 运算符重载的 const 版本必须与非 const 版本行为一致，但仅允许读取数据。
• 示例：下标运算符的 const 版本应返回 const T&，而非 const 版本返回 T&。

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3.2 const 成员函数的返回值设计

• 返回值类型：
  • const 版本：返回 const T& 或 const T，防止修改数据。
  • 非 const 版本：返回 T&，允许修改数据。

示例：返回值设计对比

class MyContainer {
private:int data[10];
public:// 非 const 版本int& get(int index) {return data[index];}// const 版本const int& get(int index) const {return data[index];}
};

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3.3 const 成员函数与自赋值检测

• 在运算符重载中，自赋值检测（如赋值运算符）必须同时适用于 const 和非 const 版本。
• 示例：赋值运算符的自赋值检测逻辑必须包含在函数体内。

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四、常见运算符重载的 const 版本设计

4.1 下标运算符 []

• 非 const 版本：返回 T&，允许修改元素。
• const 版本：返回 const T&，仅允许读取元素。

class Array {
private:int data[10];
public:int& operator[](int index) {return data[index];}const int& operator[](int index) const {return data[index];}
};

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4.2 流输出运算符 <<

• 必须以友元函数实现，且右操作数必须为 const。

class Vector2 {
public:int x, y;Vector2(int a, int b) : x(a), y(b) {}friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Vector2& vec);
};std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Vector2& vec) {os << "(" << vec.x << ", " << vec.y << ")";return os;
}

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4.3 前置/后置自增运算符 ++

• 前置 ++：返回当前对象的引用（T&），不涉及 const。
• 后置 ++：返回临时对象（T），通常需要 const 版本。

class Counter {
private:int value;
public:Counter(int v = 0) : value(v) {}// 前置 ++（非 const）Counter& operator++() {++value;return *this;}// 后置 ++（返回临时对象）Counter operator++(int) {Counter temp = *this;++value;return temp;}
};

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五、常见错误与解决方案

5.1 错误：const 对象调用非 const 成员函数

const Array arr;
arr[3] = 100;  // 编译错误：const 对象不能调用非 const 的 operator[]

解决方案：为运算符提供 const 版本。

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5.2 错误：const 成员函数修改成员变量

void MyClass::print() const {data = 10;  // 编译错误：const 成员函数不能修改成员变量
}

解决方案：移除修改成员变量的代码，或移除 const 修饰符（视需求而定）。

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5.3 错误：赋值运算符重载为 const 成员函数

class String {
public:String& operator=(const String& other) const {// ... 逻辑错误：const 成员函数不能修改 this 指向的对象}
};

解决方案：移除 const 修饰符。

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六、总结

6.1 核心要点

• const 成员函数是运算符重载的重要组成部分，用于支持 const 对象的操作。
• 运算符重载的 const 版本必须与非 const 版本的行为一致，但仅允许读取数据。
• 流输出运算符 << 必须以友元函数实现，并且右操作数需为 const。
• 赋值运算符 = 不能是 const 成员函数，因为它会修改当前对象的状态。

6.2 最佳实践

• 始终为运算符提供 const 版本，以支持 const 对象。
• 返回值设计：const 版本返回 const T&，非 const 版本返回 T&。
• 避免权限放大问题：const 对象不能调用非 const 成员函数。