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移除书签第12章 运算符类型与运算符重载
关键字class让您不仅能够封装数据和方法，还能封装运算符，以简化对对象执行的操作。通过使用这些运算符，可以像第 5 章处理整数那样，对对象执行赋值或加法运算。与函数一样，运算符也可以重载。
在本章中，您将学习：
• 使用关键字operator；
• 单目运算符与双目运算符；
• 转换运算符；
• C++11新增的移动复制运算符；
• 不能重新定义的运算符。
12.1 C++运算符
从语法层面看，除使用关键字 operator 外，运算符与函数几乎没有差别。运算符声明看起来与函数声明极其相似：
其中 operator_symbol 是程序员可定义的几种运算符类型之一。可以是+（加）、&&（逻辑 AND）等。编译器可根据操作数区分运算符。那么，C++在支持函数的情况下为何还要提供运算符呢？
来看封装了年、月、日的实用类Date：
如果要将这个Date对象指向下一天（2011年12月26日），下面两种方法哪种更方便、更直观呢？
方法1（使用运算符）：
方法2（使用虚构的函数Date::Increment()）：
显然，方法1优于方法2。基于运算符的机制更容易使用，也更直观。通过在Date类中实现运算符<，将可以像下面这样对两个日期进行比较：
运算符并非仅能用于管理日期的类。想想程序清单9.9所示的实用字符串类MyString吧，加法运算符（+）让您能够轻松地拼接字符串：
要实现相关运算符，需要做额外的工作，但类使用起来将更容易，因此值得这样做。
C++运算符分两大类：单目运算符与双目运算符。
12.2 单目运算符
顾名思义，单目运算符只对一个操作数进行操作。实现为全局函数或静态成员函数的单目运算符的典型定义如下：
作为类成员的单目运算符的定义如下：
可重载（或重新定义）的单目运算符如表12.1所示。
表12.1 单目运算符
要在类声明中编写单目前缀递增运算符（++），可采用如下语法：
而后缀递增运算符（++）的返回值不同，且有一个输入参数（但并非总是使用它）：
前缀和后缀递减运算符的声明语法与递增运算符类似，只是将声明中的++替换成了—。程序清单12.1是一个简单的Date类，让您能够使用运算符++对日期进行递增。
程序清单12.1 一个处理日、月、年的日历类，可对日期执行递增和递减操作
输出：
分析：
我们感兴趣的代码是第 16～27 行，它们递增和递减运算符的实现，这些运算符让您能够将 Date对象存储的日期向前或向后推一天，如main()中的第44、51和52行所示。前缀递增运算符先执行递增操作，再返回指向当前对象的引用。
这个版本的Date类做了最大程度的简化，只阐述了如何实现前缀递增运算符（++）和前缀递减运算符（—）。这里假定每个月都包含30天，且没有考虑导致月份甚至年份加1的情形。
要支持后缀递增和递减运算符，只需在Date类中添加如下代码：
这样，就可像下面这样使用Date对象了：
在上述后缀运算符的实现中，首先复制了当前对象，再将对当前对象执行递增或递减运算，最后返回复制的对象。
换句话说，如果只想执行递增运算，可使用++ object，也可使用object ++，但应选择前者，这样可避免创建一个未被使用的临时拷贝。
在程序清单12.1的main()中，如果添加下述代码行：
将导致这样的编译错误：error: binary ‘<<’ : no operator found which takes a right-hand operand of type
‘Date’ (or there is no acceptable conversion)。这种错误表明，cout不知道如何解读Date实例，因为Date类不支持相关的运算符。
然而，cout能够很好地显示 const char *：
因此，要让 cout能够显示Date对象，只需添加一个返回 const char*的运算符：
程序清单12.2提供了该运算符的简单实现。
程序清单12.2 使用转换运算符将Date转换为 const char*
输出：
分析：
第20～27行实现了将Date转换为 const char的运算符，main()中的第35行演示了这样做的好处。现在，可在 cout语句中直接使用Date对象，因为 cout能够理解 const char。编译器自动将合适运算符（这里只有一个）的返回值提供给 cout，从而在屏幕上显示日期。在转换为 const char*的运算符中，使用std::ostringstream将整型成员转换成了一个std::string对象，如第23～25所示。原本也可直接返回formattedDate.str()，但没有这样做，而将其拷贝存储在私有成员Date::DateInString中，如第25行所示。这是因为formattedDate是一个局部变量，将在运算符返回时被销毁，因此运算符返回时，通过str()获得的指针将无效。
这个运算符让您能够以新的方式使用Date类。现在，您甚至可以将Date对象直接赋给string对象：
应根据类的可能用法编写尽可能多的运算符。如果应用程序需要Date对象的整数表示，可编写如下转换运算符：
这样便可将Date对象当做整数使用：
解除引用运算符（*）和成员选择运算符（->）在智能指针类编程中应用最广。智能指针是封装常规指针的类，旨在通过管理所有权和复制问题简化内存管理。在有些情况下，智能指针甚至能够提高应用程序的性能。智能指针将在第26章详细讨论，这里只简要地如何重载运算符，以帮助智能指针完成其工作。
请看程序清单12.3中std::unique_prt的用法，它使用了运算符*和->，让您能够像使用普通指针那样使用智能指针类。
程序清单12.3 使用智能指针 std:: unique_prt管理动态分配的Date对象
输出：
分析：
第26行声明了一个指向int的智能指针，它演示了智能指针类unique_ptr的模板初始化语法。同样，第32行声明了一个指向Date对象的智能指针。这里的重点是模式，请暂时不要考虑细节。
如果这种模板语法看起来很难理解，也不用担心，因为第14章将讨论模板。
这个示例表明，可像使用普通指针那样使用智能指针，如第 30 和 36 行所示。第 30 行使用了pDynamicAllocInteger来显示指向的int值，而第36行使用了pHoliday->DisplayData()，就像这两个变量的类型分别是int和Date。其中的秘诀在于，智能指针类std::unique_ptr实现了运算符和->。程序清单12.4是一个简单而基本的智能指针类的实现。
程序清单12.4 在一个简单的智能指针类中实现运算符*和->
输出：
分析：
这是程序清单12.3的翻版，但使用了自己的smart_pointer类，它是在第3～21行定义的。这里使用了模板声明语法，以便能够对该智能指针进行定制，以指向任何类型，如int（第42行）或Date（第45 行）。这个智能指针类包含一个私有成员，其类型与指向的数据的类型相同；该成员是在第 7 行声明的。基本上，该智能指针类旨在自动管理该成员指向的资源，包括在析构函数中自动释放它，如第10行所示。这个析构函数确保即使您使用new创建了指向的对象，也无需对其调用delete，且不会导致内存泄露。请将重点放在运算符的实现上，如第12～15行所示。其返回类型为T&，即一个引用，指向具体化该模板时指定的类型。该实现返回一个引用，指向智能指针指向的实例。同样，运算符->（如第17～20行所示）的返回类型为T，即一个指针，指向具体化该模板时指定的类型。在运算符->的实现中，第19行返回了成员指针。总之，这两个运算符让smart_pointer类隐藏了对原始指针进行内存管理的方式，让您能够像使用普通指针一样使用它，因此是智能指针。
与普通指针相比，除能够在指针离开作用域后释放其占用的内存外，智能指针还有很多其他功能，这将在第26章详细讨论。
如果读者对程序清单12.3中unique_prt的用法感到好奇，可参考编译器或IDE提供的头文件<memory>中的unique_prt实现，以了解它在幕后所做的工作。
12.3 双目运算符
对两个操作数进行操作的运算符称为双目运算符。以全局函数或静态成员函数的方式实现的双目运算符的定义如下：
以类成员的方式实现的双目运算符的定义如下：
以类成员的方式实现的双目运算符只接受一个参数，其原因是第二个参数通常是从类属性获得的。
表12.2列出了可在C++应用程序中重载或重新定义的双目运算符。
表12.2 可重载的双目运算符
与递增/递减运算符类似，如果类实现了双目加法和双目减法运算符，便可将其对象加上或减去指定类型的值。再来看看日历类Date，虽然前面实现了将Date递增以便前移一天的功能，但它还不支持增加5天的功能。为实现这种功能，需要实现双目加法运算符，如程序清单12.5中的代码所示。
程序清单12.5 实现了双目加法运算符的日历类
输出：
分析：
第14～25行是双目运算符+和-的实现，让您能够使用简单的加法和减法语法，如main()中的第41和45行所示。
对字符串类来说，双目加法运算符也很有用。第9章分析了简单的字符串包装类MyString，它封装了一个C风格字符串，并提供了内存管理、复制等功能，如程序清单9.9所示。但这个类不支持使用如下语法将两个字符串拼接起来：
不用说，实现运算符+后，MyString使用起来将非常容易，值得去实现它：
程序清单9.9中添加上述代码，并提供实现为空的私有默认构造函数MyString()后，便可使用加法语法了。本章后面的程序清单12.12提供了一个MyString类，它实现了+等运算符。
运算符提高了类的可用性，但实现的运算符必须合理。对于Date类，您实现了加法和减法运算符，但对于MyString类，只实现了加法运算符（+）。这是因为对字符串执行减法运算的可能性极少，实现这样的运算符很可能是在浪费时间。
加并赋值运算符支持语法a+=b;，这让程序员可将对象a增加b。这样，程序员可重载加并赋值运算符，使其接受不同类型的参数b。程序清单12.6让您能够给Date对象加上一个整数。
程序清单12.6 定义运算符+=和-=，以便将日历向前或向后翻整型输入参数指定的天数
输出：
分析：
运算符+=和-=是在第 14～24 行定义的。这些运算符让您能够加上或减去指定的天数，如 main()中的下述代码所示：
运算符+=和-=接受一个int参数，让您能够给Date对象加上或减去指定的天数，就像处理的是整数一样。您还可提供运算符+=的重载版本，让它接受一个虚构的CDays对象作为参数：
乘并赋值运算符（*=）、除并赋值运算符（/=）、求模并赋值运算符（%=）、减并赋值运算符（−=）、左移并赋值运算符（<<=）、右移并赋值运算符（>>=）、异或并赋值运算符（^=）、按位或并赋值运算符（|=）以及按位与并赋值运算符（&=）的语法都与程序清单12.6所示的加并赋值运算符类似。
虽然重载运算符的最终目标是让类更直观，更易于使用，但很多时候实现这些运算符并没有意义。例如，前面的日历类 Date 绝对不会用到按位与并赋值运算符&=。这个类的用户应该不会想通过greatDay &= 20；等操作获得有用的结果。
如果像下面这样将两个Date对象进行比较，结果将如何呢？
由于还没有定义等于运算符，编译器将对这两个对象进行二进制比较，并仅当它们完全相同时才返回true。在有些情况下（包括现在的Date类），这是可行的。然而，如果类有一个非静态字符串成员，它包含字符串值（char *），如程序清单 9.9所示的MyString，则比较结果可能不符合预期。在这种情况下，对成员属性进行二进制比较时，实际上将比较字符串指针，而字符串指针并不相等（即使指向的内容相同），因此总是返回false。
因此，正确的做法是定义比较运算符。等于运算符的通用实现如下：
实现不等运算符时，可重用等于运算符：
不等运算符的结果与等于运算符相反（逻辑非）。程序清单12.7列出了日历类Date定义的比较运算符。
程序清单12.7 运算符==和!=
输出：
分析：
等于运算符（==）的实现很简单，它在年、月、日都相同时返回true，如第14～19行所示。实现不等运算符时，重用了等于运算符的代码，如第 23 行所示。有了这两个运算符后，就可对两个 Date对象（Holiday1和Holiday2）进行比较了，如main()中的第42和47行所示。
程序清单12.7所示的代码让Date类足够聪明，能够判断两个Date对象是否相等。然而，如果要使用该类执行类似下面的条件检查，该如何办呢？
或
或
或
如果能够使用这个日历类来比较两个日期，确定哪个在前、哪个在后，将很有用。编写这类的程序员应实现这种比较，让这个类对用户来说尽可能友好和直观，如程序清单12.8所示。
程序清单12.8 实现运算符<、>、<=和>=
输出：
分析：
这里要讨论的运算符是在第21～52行实现的。注意到实现这些运算符时，重用了其他运算符的代码。
在main()函数的第75～84行，使用了这些运算符，以演示这些运算符使得使用Date类简单而直观。
有时候，需要将一个类实例的内容赋给另一个类实例，如下所示：
如果您没有提供复制赋值运算符，这将调用编译器自动给类添加的默认复制赋值运算符。根据类的特征，默认复制赋值运算符可能不可行，具体地说是它不复制类管理的资源。与复制构造函数一样，为确保进行深复制，您需要提供复制赋值运算符：
如果类封装了原始指针，如程序清单9.9所示的MyString类，则确保进行深复制很重要。如果没有实现赋值运算符，编译器将提供默认的复制赋值运算符，但它只复制 char* Buffer包含的地址，而不复制指向的内存中的内容。这与没有提供复制构造函数时出现的情况相同。为确保赋值时进行深复制，应定义复制赋值运算符，如程序清单12.9所示。
程序清单12.9 对程序清单9.9所示的MyString类进行改进，添加了复制赋值运算符
输出：
分析：
在这个示例中，笔者故意省略了复制构造函数，旨在减少代码行（但您编写这样的类时，应添加它，详情请参阅程序清单9.9）。复制赋值运算符是在第25～39行实现的，其功能与复制构造函数很像。它首先检查源和目标是否同一个对象。如果不是，则释放成员Buffer占用的内存，再重新给它分配足以存储复制源中文本的内存，然后使用strcpy()进行复制，如第36行所示。
相比于程序清单 9.9，程序清单 12.9的另一个细微差别在于，使用返回 const char*的转换运算符替代了函数GetString()，如第53～56行所示。该运算符让MyString类使用起来更容易，如第 68 行所示——使用一条 cout 语句显示了两个 MyString实例的内容。
如果您编写的类管理着动态分配的资源（如C风格字符串char*）、动态数组等，除构造函数和析构函数外，请务必实现复制构造函数和复制赋值运算符。
如果没有考虑对象被复制时出现的资源所有权问题，您的类就是不完整的，使用时甚至会有危险。
要创建不允许复制的类，可将复制构造函数和复制赋值运算符都声明为私有的。只需这样声明（甚至都不用提供实现）就足以让编译器在遇到试图复制对象（将对象按值传递给函数或将一个对象赋给另一个对象）的代码时引发错误。
下标运算符让您能够像访问数组那样访问类，其典型语法如下：
编写封装了动态数组的类（如封装了 char* Buffer的MyString）时，通过实现下标运算符，可轻松地随机访问缓冲区中的各个字符：
程序清单12.10是一个简单的示例，演示了下标运算符（[]）让用户能够使用常规数组语法来遍历MyString实例包含的字符。
程序清单12.10 在MyString类中实现下标运算符，以便随机访问MyString::Buffer包含的字符
输出：
分析：
这个程序很有趣，它接受用户输入的句子，并使用它创建一个 MyString 对象，如第 61 行所示；接下来，在一个 for 循环中，使用下标运算符（[]）和数组语法逐字符地打印该字符串，如第 64～65行所示。下标运算符（[]）是在第31～35行实现的，它首先确保指定的位置没有超出char*Buffer末尾，然后返回指定位置处的字符。
实现运算符时，应使用关键字const，这很重要。在程序清单12.10中，将下标运算符（[]）的返回类型声明成了 const char&。即便没有关键字 const，该程序也能通过编译。这里使用它旨在禁止使用下面这样的代码：
通过使用const，可禁止从外部通过运算符[]直接修改成员MyString::Buffer。除将返回类型声明为const外，还将该运算符的函数类型设置成为const，这将禁止该运算符修改类的成员属性。一般而言，应尽可能使用const，以免无意间修改数据，并最大限度地保护类的成员属性。
实现下标运算符时，可在程序清单 12.10 所示版本的基础上进行改进。这个版本只实现了一个下标运算符，它可用于读写动态数组的元素。
然而，也可实现两个下标运算符，其中一个为const函数，另一个为非const函数：
编译器很聪明，能够在读取MyString对象时调用const函数，而在对MyString执行写入操作时调用非const函数。因此，如果愿意，可在两个下标函数中实现不同的功能。例如，一个运算符记录对容器的写入操作，而另一个记录对容器的读取操作。还有其他双目运算符可被重定义或重载（如表 12.2所示），但本章不打算介绍它们。这些运算符的实现与已讨论的运算符类似。
如果其他运算符（如逻辑运算符和按位运算符）有助于改善您编写的类，就应实现它们。显然，诸如Date等日历类没有必要实现逻辑运算符，但处理字符串和数字的类可能需要实现它们。
应根据类的目标和用途重载运算符或实现新的运算符。
12.4 函数运算符operator()
operator()让对象像函数，被称为函数运算符。函数运算符用于标准模板库（STL）中，通常是 STL算法中。其用途包括决策。根据使用的操作数数量，这样的函数对象通常称为单目谓词或双目谓词。下面分析一个非简单的函数对象，如程序清单12.11所示，以便理解使用如此有意思的名称的原因！
程序清单12.11 一个使用operator()实现的函数对象
输出：
分析：
第8～11行实现了operator()，然后在main()函数的第18行使用了它。注意，之所以能够在第18行将对象mDisplayFuncObject用作函数，是因为编译器隐式地将它转换为对函数operator()的调用。
因此，这个运算符也称为operator()函数，对象CDisplay也称为函数对象或functor。第21章将详尽地讨论这个主题。
C++11
用于高性能编程的移动构造函数和移动赋值运算符
移动构造函数和移动赋值运算符乃性能优化功能，属于C++11标准的一部分，旨在避免复制不必要的临时值（当前语句执行完毕后就不再存在的右值）。对于那些管理动态分配资源的类，如动态数组类或字符串类，这很有用。
1．不必要的复制带来的问题
请看程序清单12.5实现的加法运算符，注意到它创建并返回一个拷贝；减法运算符亦如此。使用下面的语法创建新的MyString实例时，情况将如何呢？
这种方式非常直观，它使用双目加法运算符（+）将三个字符串拼接起来。该运算符的实现类似于下面这样：
这个加法运算符（+）让您能够使用直观的表达式轻松地拼接字符串，但也可能导致性能问题。创建sayHello时，需要执行加法运算符两次，而每次都将创建一个按值返回的临时拷贝，导致执行复制构造函数。复制构造函数执行深复制，而生成的临时拷贝在该表达式执行完毕后就不再存在。总之，该表达式导致生成一些临时拷贝（准确地说是右值），而它们在当前语句执行完毕后就不再需要。这一直是C++带来的性能瓶颈，直到最近才得以解决。
C++11 解决了这个问题：编译器意识到需要创建临时拷贝时，将转而使用移动构造函数和移动赋值运算符——如果您提供了它们。
2．声明移动构造函数和移动赋值运算符
移动构造函数的声明语法如下：
从上述代码可知，相比于常规赋值构造函数和复制赋值运算符的声明，移动构造函数和移动赋值运算符的不同之处在于，输入参数的类型为MyClass&&。另外，由于输入参数是要移动的源对象，因此不能使用const进行限定，因为它将被修改。返回类型没有变，因为它们分别是构造函数和赋值运算符的重载版本。
在需要创建临时右值时，遵循 C++的编译器将使用移动构造函数（而不是复制构造函数）和移动赋值运算符（而不是复制赋值运算符）。移动构造函数和移动赋值运算符的实现中，只是将资源从源移到目的地，而没有进行复制。程序清单12.12演示了如何使用这两项C++11新增功能对MyString类进行优化。
程序清单 12.12 除复制构造函数和复制赋值运算符外，还包含移动构造函数和移动赋值运算符的MyString类
输出：
没有移动构造函数和移动赋值构造函数（将第95～119行注释掉）时的输出：
添加移动构造函数和移动赋值构造函数后的输出：
分析：
这个代码示例很长，但大部分都在本书前面介绍过。在该程序清单中，最重要的部分是第95～119行，其中实现了移动构造函数和移动赋值运算符。这些C++11新增功能生成的输出使用粗体表示。注意到相比于没有这两个实体时，输出变化很大。如果您查看移动构造函数和移动赋值运算符的实现，将发现移动语义基本上是通过接管移动源中资源的所有权实现的，如移动构造函数的第 101 行和移动赋值运算符的第114行所示。接下来，将移动源指针设置为NULL，如第102和115行所示。这样，移动源被销毁时，通过析构函数（第16～20行）调用的delete什么也不会做，因为所有权已转交给目标对象。注意到在没有移动构造函数时，将调用复制构造函数，它对指向的字符串进行深复制。总之，移动构造函数避免了不必要的内存分配和复制步骤，从而节省了大量的处理时间。
移动构造函数和移动赋值运算符是可选的。不同于复制构造函数和复制赋值运算符，如果您没有提供移动构造函数和移动赋值运算符，编译器并不会添加默认实现。
对于管理动态分配资源的类，可使用C++11新增的这项功能对其进行优化，避免在只需临时拷贝的情况下进行深复制。
12.5 不能重载的运算符
虽然C++提供了很大的灵活性，让程序员能够自定义运算符的行为，让类更易于使用，但C++也有所保留，不允许程序员改变有些运算符的行为。表12.3列出了不能重新定义的运算符。
表12.3 不能重载或重新定义的运算符
12.6 总结
本章介绍了如何各种运算符，让类更易于使用。编写管理资源（如动态数组或字符串）的类时，除析构函数外，还需至少提供复制构造函数和复制赋值运算符。对于管理动态数组的实用类，如果包含移动构造函数和移动赋值运算符，就可避免将包含的资源深复制给临时对象。最后，您学习了.、.*、::、?:和sizeof等不能重新定义的运算符。
12.7 问与答
问：我编写的类封装了一个动态整型数组，请问我至少应该实现哪些函数和方法？
答：编写这样的类时，必须明确定义下述情形下的行为：通过赋值直接复制对象或通过按值传递给函数间接复制对象。通常，应实现复制构造函数、复制赋值运算符和析构函数。另外，如果想改善这个类在某些情况下的性能，还应实现移动构造函数和移动赋值运算符。
问：假设有一个类对象object，而我希望支持语法 cout << object;，请问需要实现哪个运算符？
答：您需要实现一个转换运算符，让类能被解读为 std::cout 支持的类型。一种解决方案是，像程序清单 12.2那样定义运算符 char* ()。
问：自己编写智能指针类时，至少需要实现哪些函数和运算符？
答：智能指针必须能够像常规指针那样使用，如pSmartPtr或pSmartPtr->Func()。为此，需要实现运算符和->。要确保它足够智能，还需合理地编写析构函数，以自动释放/归还资源；另外，还需实现复制构造函数和复制赋值运算符，以明确定义复制和赋值的方式（也可将复制构造函数和复制赋值运算符声明为私有的，以禁止复制和赋值）。
12.8 作业
作业包括测验和练习，前者帮助读者加深对所学知识的理解，后者提供了使用新学知识的机会。请尽量先完成测验和练习题，然后再对照附录 D 的答案。在继续学习下一章前，请务必弄懂这些答案。
1．可以像下面这样，编写两个版本的下标运算符，一个的返回类型为const，另一个为非const吗？
2．可以将复制构造函数或复制赋值运算符声明为私有的吗？
3．给Date类实现移动构造函数和移动赋值运算符有意义吗？
1．为Date类编写一个转换运算符，将其存储的日期转换为整数。
2．DynIntegers类以int*私有成员的方式封装了一个动态分配的数组，请给它编写移动构造函数和移动赋值运算符。
