运算符重载的基本规则和习惯用法是什

ClearSeve

发布于 2022-02-10 18:47:06

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运算符重载的通用语法

在重载时，你不能更改 C++ 中内置类型的运算符的含义，只能对自定义类型[1]的运算符进行重载。也就是，运算符两边的操作数至少有一个是自定义的类型。与其他重载函数一样，运算符只能对一组特定类型参数重载一次。

当然，并不是所有的运算符都可以被重载。例如，. :: sizeof typeid，还有唯一的一个三元运算符 ?:，都是不可以被重载的。

可以被重载的运算符如下：

二元算术运算符 + - * / % += -= *= /= %=；一元前缀运算符 + -；一元前缀后缀运算符 ++ --。
二元位操作运算符 & | ^ << >> &= |= ^= <<= >>=；一元前缀位操作运算符 ~。
二元布尔操作运算符 == != < > <= >= || &&；一元前缀布尔操作符 !。
内存管理运算符 new new[] delete delete[]。
隐式转换运算符。
其它二元运算符 = [] -> ->* ,；其它一元前缀运算符 * &；还有 n 元的函数调用运算符 ()。

运算符重载是一种特殊的函数。和其它函数一样，运算符重载既可作为成员函数，也可作为非成员函数。

[1] 内置类型和自定义类型的区别，举个例子，前者有 int char double 等，后者有 struct class enum union 等，这其中也包括标准库中定义的那些 struct class …。

运算符重载的三个基本规则

C++ 重载有三个基本规则，

如果一个运算符的含义不是很清楚的时候，它就不应该被重载。 如果非要这样的话，倒不如直接提供一个函数来实现你想要的功能。
始终重载运算符众所周知的语义。 C++ 对运算符重载的语义并没有限制，意思是你可以对+号重载成-号的语义，但这种做法会给别人带来歧义，不建议这么做。
始终提供一组相关的操作。 运算符之间往往是有关联的，如果你重载了+，那么也应该重载+=；如果你重载了前置自加++，那么也应该重载后置自加++。

成员函数与非成员函数的选择

赋值运算符 =、数组下标运算符 []、成员访问符 -> 和函数调用运算符 ()，只能作为成员函数，因为 C++ 语法就是这么要求的。

其它的运算符可以定义为成员函数，也可以定义为非成员函数。但是有一些你不得不定义成非成员函数，因为它们的左操作数是不可修改的。比如输入输出运算符（<< 和 >>），它们的左操作数是标准流对象（stream），我们无法对其进行修改。

那么这么多运算符，如何选择是作为成员函数还是非成员函数呢？主要基于以下几点准则：

如果是一元运算符，就实现为成员函数。
如果是二元运算符，且不会修改其左右操作数，则实现为非成员函数。
如果是二元运算符，且会修改其左/右操作数（一般都是左），则实现为成员函数，因为一般你都需要访问其私有成员。

当然，也有一些例外。如果你有一个枚举，

enum Month {Jan, Feb, ..., Nov, Dec}

你想为它重载递加和递减运算符，但是你是无法实现它们为成员函数的，因为在 C++ 中，枚举类型压根就没有成员函数这一说。还有，对于嵌套在类模板中的类模板，operator<() 作为内联成员函数会更方便去读写成员变量，但这种情况不是经常能遇到。

普通运算符重载的用法

重载运算符的大部分代码都是固定的。这并不奇怪，因为运算符就是语法糖而已，它们完全可以由普通函数完成。但是，确保这些运算符重载的代码执行正确是非常重要的。因为，如果你的代码有 bug，不能编译倒是小事，运行后出现一些奇奇怪怪的 bug 才真的要人命。

赋值运算符

赋值运算符 operator= 是一个经常被提及的运算符，需要修改左操作数，应该将其实现为成员函数，可参考 copy-and-swap。下面就简单贴下它的代码，

X& X::operator=(X rhs)
{
  swap(rhs);
  return *this;
}

输入输出运算符

因为左操作数是流对象，且需要访问右操作数的私有成员，所以实现为友元函数最佳。（译注：原回答并没有提及友元，不过我这里还是贴出它的友元实现。）

class T
{
    ...

    friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const T &obj)
    {
        // write obj to stream

        return os;
    }

    friend std::istream &operator>>(std::istream &is, T &obj)
    {
        // read obj from stream

        if (/* no valid object of T found in stream */)
            is.setstate(std::ios::failbit);

        return is;
    }
};

函数调用运算符

函数调用运算符使得可以像调用普通函数一样去调用一个类实例，必须实现为成员函数。它的参数既可以是多个也可以是 0 个。可以看下面的例子，

class foo {
public:
    // Overloaded call operator
    int operator()(const std::string& y) {
        // ...
    }
    int operator()(int i) {
        // ...
    }
};

可以这样使用，

foo f;
int a = f("hello");
int b = f(10);

比较运算符

以下的运算符不会修改左右操作数，应实现为非成员函数，

inline bool operator==(const X& lhs, const X& rhs) { /* do actual comparison */   }
inline bool operator!=(const X& lhs, const X& rhs) { return !operator==(lhs,rhs); }
inline bool operator< (const X& lhs, const X& rhs) { /* do actual comparison */   }
inline bool operator> (const X& lhs, const X& rhs) { return  operator< (rhs,lhs); }
inline bool operator<=(const X& lhs, const X& rhs) { return !operator> (lhs,rhs); }
inline bool operator>=(const X& lhs, const X& rhs) { return !operator< (lhs,rhs); }

译注：在比较时可能还是需要访问其私有成员。如果有getXXX()这一类的函数，那么设其为非成员函数就没什么问题；如果没有，设置为友元最佳，这样就可以直接访问私有成员。

|| && 的用法和上面的一样，但是应用场景很难遇到需要重载这两个的。

最后，一元前缀布尔操作符 !应该实现为成员函数。

算术运算符

一元前自加和后自加运算符，按照前面所说的基本规则，应该实现为成员函数，

class X
{
  X& operator++()
  {
    // do actual increment
    return *this;
  }

  X operator++(int)
  {
    X tmp(*this);
    operator++();
    return tmp;
  }
};

对于二元算术运算符，不要忘记第三点基本准则：运算符之间往往是有关联的，如果你重载了+，那么也应该重载+=；如果你重载了前置自加++，那么也应该重载后置自加++。

class X
{
  X& operator+=(const X& rhs) // 修改了左操作数
  {
    // actual addition of rhs to *this
    return *this;
  }
};
inline X operator+(X lhs, const X& rhs) // 未做修改
{
  lhs += rhs;
  return lhs;
}

数组下标

数组下标运算符是一个二元运算符，必须需要实现为成员函数。

class X {
        value_type& operator[](index_type idx);
  const value_type& operator[](index_type idx) const;
  // ...
};

如果 value_type 是一个内建（built-in）类型，直接返回它的拷贝会比常量引用更好，

class X {
  value_type& operator[](index_type idx);
  value_type  operator[](index_type idx) const; // if value_type == int/double/char/...
  // ...
};

仿指针操作

为了定义自己的迭代器或智能指针，你就需要自己重载运算符 * 和 ->，

class my_ptr {
        value_type& operator*();
  const value_type& operator*() const;
        value_type* operator->();
  const value_type* operator->() const;
};

对于运算符operator->*()，可参考 https://stackoverflow.com/questions/8777845/overloading-member-access-operators-c。

转换运算符

类型转换运算符可以使两种不同的类型的变量互相转换，有显示转换和隐式转换两种。

隐式转换（C++98/C++03 和 C++11）

隐式转换运算符使编译器可以将用户定义类型的值隐式转换（例如 int 和 long 之间的转换）。以下是一个带有隐式转换运算符的类，

class my_string {
public:
  operator const char*() const { return data_; } // This is the conversion operator
private:
  const char* data_;
};

隐式转换运算符（看着就像是带有一个参数的构造函数）是用户定义的转换。

void f(const char*);

my_string str;
f(str); // same as f( str.operator const char*() )

看着用起来挺舒服的，但有时候也会出现问题，见下面的代码：因为 my_string() 返回的是一个左值，所以下面的代码只会调用第二个重载。

void f(my_string&);
void f(const char*);

f(my_string());

即使是资深的 C++ 程序员有时候也会在这方面犯错。这个时候显示转换就显得很有必要。

显示转换（C++11）

下面是一个显示转换的示例，

class my_string {
public:
  explicit operator const char*() const { return data_; }
private:
  const char* data_;
};

注意关键字explicit。如果你现在再像上面那样去调用就会报错，

prog.cpp: In function ‘int main()’:
prog.cpp:15:18: error: no matching function for call to ‘f(my_string)’
prog.cpp:15:18: note: candidates are:
prog.cpp:11:10: note: void f(my_string&)
prog.cpp:11:10: note:   no known conversion for argument 1 from ‘my_string’ to ‘my_string&’
prog.cpp:12:10: note: void f(const char*)
prog.cpp:12:10: note:   no known conversion for argument 1 from ‘my_string’ to ‘const char*’

要想正确的使用显示转换，就需要使用static_cast或 C 风格的类型转换或构造函数T(value)来作一次转换。就像下面这样，

void f(const char*);

my_string str;
f((const char*)str); // C-style cast

operator new 和 operator delete

基础部分

当调用 new 表达式（比如new T(arg)）的时候，实际上做了两步，

调用operator new申请内存
调用 T 的构造函数初始化内存区

同样地，当调用 delete 表达式（比如delete p），实际上也做了两步，

调用该对象的析构函数
调用operator delete释放内存区

C++ 允许我们重载operator new和operator delete，以实现我们自己的目的。但是我不推荐去重载它们，除非你有一些性能和内存的需求（译注：问题追踪也是一个需要用到重载的需求）。在一些高性能算法中，它们往往会对其重载以获得对内存的高利用。

C++ 标准库提供的 operator new 和 operator delete 函数是，

void* operator new(std::size_t) throw(std::bad_alloc); 
void  operator delete(void*) throw(); 
void* operator new[](std::size_t) throw(std::bad_alloc); 
void  operator delete[](void*) throw();

前面两个作用于一个对象，后面两个用于于一组对象。

如果你提供上述函数的自己的版本，那么你的版本会替换掉标准库中的版本，实际调用的时候会调用你的版本。（译注：重载并不是替换，但对 operator new 和 operator delete 比较特殊，以下我们还是称之为重载）

如果重载了 operator new，那么也应该重载 operator delete；同样，如果重载了 operator new[]，那么也应该重载 operator delete[]。

定位 new（Placement new）

new 运算符负责在堆（heap）中找到足以能够满足要求的内存块。定位 new 运算符是 new 运算符的变体，能够指定要使用的内存位置。

class X { /* ... */ };
char buffer[ sizeof(X) ];
void f()
{ 
  X* p = new(buffer) X(/*...*/);
  // ... 
  p->~X(); // call destructor 
}

C++ 标准库提供的定位 new 和定位 delete 函数是，

void* operator new(std::size_t,void* p) throw(std::bad_alloc); 
void  operator delete(void* p,void*) throw(); 
void* operator new[](std::size_t,void* p) throw(std::bad_alloc); 
void  operator delete[](void* p,void*) throw();

注意，在上面的示例代码中，operator delete 不会被调用，除非 X 的构造函数发生异常（参见：https://en.cppreference.com/w/cpp/memory/new/operator_delete）。

关于定位 new 和 delete 运算符，可参考：

特定于类的 new 和 delete

很多时候你需要对内存管理进行一些微调。统计表明，类的示例的频繁的构建和销毁，常规的默认的内存管理处理效率低下，所以需要针对特定类做特定的 new 和 delete。

class my_class { 
  public: 
    // ... 
    void* operator new();
    void  operator delete(void*,std::size_t);
    void* operator new[](size_t);
    void  operator delete[](void*,std::size_t);
    // ... 
};

new 和 delete 重载时的行为类似于静态成员函数。对于 my_class 的对象，std::size_t 参数始终为 sizeof(my_class)。