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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 << ")";}
};