c++ 操作符重载详解与示例

操作符重载详解

操作符重载允许为自定义类型赋予与内置类型相似的操作行为，但需遵循特定规则。以下从基本规则、实现方式、具体运算符示例及注意事项展开讲解。

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一、基本规则

1. 使用 operator 关键字
   通过定义名为 operator@ 的函数实现重载（@ 表示运算符，如 +, == 等）。

2. 不改变运算本质

   • 不能发明新运算符（如 **）。
   • 不能改变运算符的优先级和结合性。
   • 通常不改变运算符的直观含义（如 + 应实现加法而非减法）。

3. 参数要求

   • 参数个数与操作数相同（如 + 需两个参数）。
   • 至少一个参数为类类型（防止修改内置类型运算）。

4. 缺省参数限制

   • 除 operator() 外，其他运算符不能有缺省参数。

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二、必须作为成员函数重载的运算符

1. 赋值运算符 =

class MyString {
    char* data;
public:
    MyString& operator=(const MyString& other) {
        if (this != &other) {
            delete[] data;
            data = new char[strlen(other.data)+1];
            strcpy(data, other.data);
        }
        return *this;
    }
};

2. 下标运算符 []

class Vector {
    int arr[10];
public:
    int& operator[](size_t index) { // 返回引用可修改
        return arr[index];
    }
    const int& operator[](size_t index) const {
        return arr[index];
    }
};

3. 函数调用运算符 ()

class Adder {
public:
    int operator()(int a, int b) const {
        return a + b;
    }
};
Adder add;
int sum = add(3, 5); // 输出8

4. 成员访问运算符 ->

class SmartPtr {
    Data* ptr;
public:
    Data* operator->() { 
        return ptr; 
    }
};
SmartPtr p;
p->func(); // 等价于(p.operator->())->func()

5. 转型运算符

class Rational {
    int num, den;
public:
    explicit operator double() const { // 禁止隐式转换
        return static_cast<double>(num)/den;
    }
};
Rational r(3,4);
double d = static_cast<double>(r);

三、通常作为非成员函数重载的运算符

1. 算术运算符 +

class Complex {
    double real, imag;
public:
    Complex(double r, double i) : real(r), imag(i) {}
    friend Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b);
};

Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b) {
    return {a.real+b.real, a.imag+b.imag};
}

2. 输入/输出运算符 << >>

class Date {
    int y, m, d;
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Date& dt);
    friend std::istream& operator>>(std::istream& is, Date& dt);
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Date& dt) {
    return os << dt.y << '-' << dt.m << '-' << dt.d;
}

std::istream& operator>>(std::istream& is, Date& dt) {
    return is >> dt.y >> dt.m >> dt.d;
}

四、特殊运算符

1. 自增/自减运算符

class Counter {
    int value;
public:
    Counter& operator++() { // 前置++
        ++value;
        return *this;
    }
    Counter operator++(int) { // 后置++
        Counter temp = *this;
        ++value;
        return temp;
    }
};

2. 比较运算符 <=>（C++20）

class Point {
    int x, y;
public:
    auto operator<=>(const Point&) const = default;
};
// 自动生成 ==, !=, <, <=, >, >=

五、不建议重载的运算符

1. 逻辑运算符 && ||

// 不推荐重载，因为会失去短路特性
class BoolWrapper {
    bool value;
public:
    BoolWrapper operator&&(const BoolWrapper& other) const {
        return value && other.value;
    }
};

六、运算符重载综合示例

智能指针实现

template<typename T>
class SmartPointer {
    T* ptr;
public:
    explicit SmartPointer(T* p = nullptr) : ptr(p) {}
    ~SmartPointer() { delete ptr; }
    
    T& operator*() const { return *ptr; }
    T* operator->() const { return ptr; }
    explicit operator bool() const { return ptr != nullptr; }
};

七、不可重载的运算符

• 作用域解析运算符 ::
• 成员访问运算符 .
• 条件运算符 ?:
• 预处理符号 # ##

最佳实践原则：

1. 保持运算符的直观语义
2. 对称运算符（如算术运算符）应定义为非成员函数
3. 复合赋值运算符（如 +=）应返回左值引用
4. 比较运算符应成对实现（C++20可用 <=> 简化）
5. 流运算符必须定义为友元非成员函数
6. 下标运算符应提供常量和非常量版本

示例：三维向量类

class Vector3D {
    double x, y, z;
public:
    Vector3D operator+() const { return *this; } // 正号
    Vector3D operator-() const { return {-x, -y, -z}; } // 负号
    
    Vector3D& operator+=(const Vector3D& rhs) {
        x += rhs.x;
        y += rhs.y;
        z += rhs.z;
        return *this;
    }
    
    friend Vector3D operator+(Vector3D lhs, const Vector3D& rhs) {
        lhs += rhs;
        return lhs;
    }
    
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Vector3D& v) {
        return os << "(" << v.x << ", " << v.y << ", " << v.z << ")";
    }
};