【C++】—— 类与对象（四）

9毫米的幻想2024-08-10 21:52

【C++】------ 类与对象（四）

6、赋值运算符重载

6.1、运算符重载

6.1.1、基础知识

像+、--- 、% 、> 等运算符，只对内置有效，但对于自定义类型又该怎么办呢？

就拿 D a t e Date Date类 来说，日期与日期如何比较大小呢？简单地只使用一个 >/< 肯定是无法完成任务的。

解决上述问题，就需要用到 运算符重载

运算符重载的基本特点：

  • 当运算符被用于类类型对象时，C++ 允许我们通过运算符重载的形式制定新的含义。C++ 规定类类型对象使用运算符时，必须转换成调用对应运算符重载，若没有对应的运算符重载，则会编译报错
  • 运算符重载是具有特殊名字的函数，它的名字是由 o p e r a t o r operator operator 和后面要定义的运算符共同构成。和其他函数一样，它也有返回类型和参数列表以及函数体
  • 重载运算符函数的参数个数和该运算符作用的运算对象一样多。一元运算符有一个参数，二元运算符有两个参数，二元运算符的左侧运算对象 向传给第一个参数 ，右测运算对象 传给第二个参数
  • 如果一个重载运算符函数是成员函数，则它的第一个运算对象默认传给隐式的 t h i s this this指针，因此运算符重在作为成员函数是，参数比运算对象少一个。

我们先写一个运算符重载函数来判断两个日期是否相等

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
	Date(int year = 2024, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

bool operator==(const Date& d1, const Date& d2)
{
	return  d1._year == d2._year && \
			d1._month == d2._month && \
			d1._day == d2._day;
}

但现在还有一个问题：operator== 在类外，成员变量是私有，没有访问权限

有三种方法：

  1. 把成员变量的访问权限改为公有
  2. 提供 G e t Y e a r GetYear GetYear 等函数
  3. 友元函数（之后讲）

这次，三种方法我们都不用(虚晃一枪)，直接把它变成成员函数不香吗

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
	Date(int year = 2024, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	bool operator==(const Date& d1)
	{
		return  _year == d1._year && \
			_month == d1._month && \
			_day == d1._day;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

当运算符重载函数是成员函数时，它的第一个参数默认是 t h i s this this指针，因此参数比运算对象少一个。

6.1.2、调用方法

那运算符重载函数怎么调用呢？

它有两种调用方法：

cpp 复制代码 
int main()
{
	Date d1(2023, 1, 1);
	Date d2(2024, 1, 1);

	//法一：如普通函数一样的调用方法
	d1.operator==(d2);
	
	//法二：写成运算符的调用方法（推荐）
	d1 == d2;
	
	return 0;
}

6.1.3、前置++ 与 后置++ 的重载

大家有没有想过，++运算符怎么重载呢？毕竟 前置++ 和 后置++ 的运算符重载函数名都是 operator++，并且参数都是一样的 (都为 t h i s this this指针)，怎么进行区分呢？

C++ 规定，后置++ 重载时，增加一个 i n t int int 参数，跟 前置++ 构成函数重载，方便区分。

i n t int int 参数后面加不加形参名都可以，实际编译器实际上并不接受，只是为了标识

我们简单写一下 D a t e Date Date 的 前置++ 和 后置++：

cpp 复制代码 
//假设operator+=已经实现

//后置++
Date operator++(int)
{
	Date tmp = *this;
	*this += 1;
	return tmp;
}

//前置++
Date& operator++()
{
	*this += 1;
	return *this;
}

可以看见 后置++ 比 前置++ 多了两次拷贝构造，因此对自定义类型，尽量使用前置++，以减少拷贝提高效率

6.1.4、注意事项

  1. 运算符重载后，其优先级和结合性与对应的内置类型运算符保持一致。

    重载后，运算符的优先级和结合性该怎样还是怎样，比如 ∗ * ∗ 的优先级依然比 ± 高。

  2. 不能通过链接语法中没有的符号来产生新的操作符：比如 operator@

  3. .* :: sizeof ?: .以上5个运算符不能重载（选择题例常考，大家要记住）

  4. 运算符重载可以构成 函数重载。

    比如对于日期类，以下两个运算符重载就构成函数重载

cpp 复制代码 
//以下两个运算符重载虽然函数名相同，但参数不同，构成运算符重载
//日期 - 天数
int operator-(const Date& d, int day);
//日期 - 日期
Date operator-(const Date& d1, const Date& d2);

运算符重载和函数重载虽然都有 "重载" 二字，但他们之间并没有关系。

  • 函数重载指的是函数名相同，参数不同。
  • 运算符重载指的是重新定义这个运算符的行为。
  • 再就是 两个运算符重载的函数可以构成函数重载

  1. 重载操作符至少有一个类类型参数，不能通过运算符重载改变内置类型对象的含义，如：int operator+(int x, int y)

当然，不是全部参数都要自定义类型，有一个即可，比如上面的int operator-(const Date& d, int day);

  1. 一个类需要重载那些运算符，是看哪些运算符重载有意义
    比如 D a t e Date Date类 重载 o p e r a t o r operator operator- 就有意义，重载成 o p e r a t o r operator operator+ 就没有意义（日期 + 日期是什么意思呢）

6.1.5、<< 和 >> 运算符重载

6.1.5.1、<< 和 >> 基础

我们想重载 << 和 >> 来输入输出日期可不可以呢？我们来试一下

首先我们要知道，cout 是 ostream 类型的对象；cin 是 istream 类型的对象

为什么对内置类型 << 能 自动识别类型并输出 呢？

是因为函数重载

类中把所有的内置类型都重载好了，他能自动识别出函数重载，调用相应的函数进行输出。

6.1.5.2、日期类 operator<< 的实现

那对于自定义类型我们想继续使用 <<，就需要我们自己重载运算符

我们来写日期类的流插入：

cpp 复制代码 
class Date
{
public :
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{}

	 void operator<<(ostream& out)
	{
		out << _year << "年" << _month << "月" << _day << "号" << endl;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

上述代码的 o u t out out 是 c o u t cout cout 的引用， o u t out out 就是 c o u t cout cout

我们测试一下：

cpp 复制代码 
int main() 
{
	Date d(2024, 1, 1);
	d.operator<<(cout);
		
	return 0;
}

运行结果：

可以看到，没有问题。

6.1.5.2.1、类型不匹配问题

运算符重载还有另外一种调用方式，我们也试一试

cpp 复制代码 
int main() 
{
	Date d(2024, 1, 1);
	cout << d;

	return 0;
}

报错了！

为什么呢？两种调用方法不是等价的吗？

别急，我们仔细看一下报错信息："没有找到接受"Date"类型的右操作数的运算符（或没有可接受的转换）"

简单来说就是 参数不匹配

对于运算符重载函数来说，当操作数为二元操作数，左侧的运算对象默认传给第一个参数，右侧的传给的第二个参数。而成员函数的第一个参数默认是 t h i s this this指针，上述的传参方式会导致类型不匹配

因此正确的传参是：

cpp 复制代码 
int main()
{
	Date d(2024, 1, 1);
	d << cout;

	return 0;
}

但d << cout;这样传参是不是感觉怪怪的，想要cout << d;传参，那只能把 t h i s this this指针 放在第二位，ostream& out放在第一位。

那有没有办法把this指针放在第二个参数位置上呢？没有。因为 t h i s this this指针 是隐式的，我们无法改变 ，C++规定 t h i s this this指针 默认是第一个参数

因此，operator<< 的重载只能放在类外，成 全局函数 。

但全局函数有一个问题：不能访问私有

我们可以在类中加一个友元声明（下期介绍），这样，类外的函数就可以访问私有啦

cpp 复制代码 
class Date
{
	//有元声明
	friend void operator<<(ostream& out, const Date& d);	
	
public :
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

void operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "号" << endl;
}

6.1.5.2.2、连续赋值问题

但现在还有一个问题，它不支持连续输出

cpp 复制代码 
int main()
{
	Date d1(2024, 1, 1);
	Date d2(2023, 1, 1);
	
	//无法连续输出
	cout << d1 << d2;

	return 0;
}

怎么解决呢？

首先我们要知道<<运算符的结合性是从左往右的，因此先进行运算的是cout << d1。

而cout << d1应该要有一个返回值以便能支持接下来 d 2 d2 d2 的输出，那这个返回值是什么呢？很显然是 c o u t cout cout

因此，正确的重载应该是这样：

cpp 复制代码 
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "号" << endl;
	return out;
}

这里用 引用返回，返回 o u t out out，即 c o u t cout cout

6.1.5.3、日期类 operator>> 的实现

接下来我们实现流提取

cpp 复制代码 
istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
	cout << "请依次输入年月日：>";
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	return in;
}

流提取中，Date& d不能加 c o n s t const const，因为提取出的数据要放在对象里面，是要改变对象的。

6.1.6、总结

  • 当运算符被用于类类型对象时，C++ 允许我们通过运算符重载的形式制定新的含义。C++ 规定类类型对象使用运算符时，必须转换成调用对应运算符重载，若没有对应的运算符重载，则会编译报错
  • 运算符重载是具有特殊名字的函数，它的名字是由 o p e r a t o r operator operator 和后面要定义的运算符共同构成。和其他函数一样，它也有返回类型和参数列表以及函数体
  • 重载运算符函数的参数个数和该运算符作用的运算对象一样多。一元运算符有一个参数，二元运算符有两个参数，二元运算符的左侧运算对象 向传给第一个参数 ，右测运算对象 传给第二个参数
  • 如果一个重载运算符函数是成员函数，则它的第一个运算对象默认传给隐式的 t h i s this this指针，因此运算符重在作为成员函数是，参数比运算对象少一个。
  • 运算符重载后，其优先级和结合性与对应的内置类型运算符保持一致
  • 不能通过链接语法中没有的符号来创建新的操作符：比如 operator@
  • .* :: sizeof ?: . 以上5个运算符不能重载（选择题例常考，大家要记住）
  • 重载操作符 至少有一个类类型参数，不能通过运算符重载改变内置类型对象的含义
  • 一个类需要重载运算符，是看哪些运算符重载后有意义，比如 D a t e Date Date类 重载 o p e r a t o r operator operator- 就有意义，但是重载 o p e r a t o r operator operator+ 就没有意义
  • 重载++ 运算符时，有 前置++ 和 后置++，运算符重载函数名都是 o p e r a t o r operator operator++，无法很好的区分。C++ 规定，后置++ 重载时，增加一个 i n t int int 形参，跟 前置++ 构成函数重载，方面区分
  • 重载 << 和 >> 时，需要重载为全局函数，因为重载为成员函数，== t h i s this this指针 ==默认抢占了第一个形参位置，第一个形参位置是左侧运算对象，调用时就变成了 对象 << cout，不符合使用习惯和可读性。重载为全局函数把 o s t r e a m ostream ostream / i s t r e a m istream istream 放到第一个形参位置就可以了，第二个形参位置当类类型对象。

6.2、赋值运算符重载

赋值运算符重载是一个默认成员函数，用于完成两个已经存在的对象直接的拷贝赋值，这里要注意跟拷贝构造区分，拷贝构造用于一个对象拷贝初始化给另一个要创建的对象

5.2.1、赋值运算符重载的特点

赋值运算符重载的特点：

  • 赋值运算符重载是一个运算符重载，规定必须重载为成员函数。赋值运算符重载的参数建议写成 c o n s t const const 当前类类型引用，否则会传值传参会有拷贝
  • 有返回值，且建议写成当前类类型的引用，引用返回可以提高效率 ，有返回值目的是为了支持连续赋值场景

我们先尝试写一个赋值运算符重载

cpp 复制代码 
	void operator=(const Date& d)
	{
		_year = d._yaer;
		_month = d._month;
		_day = d.day;
	}

注：赋值运算符重载必须为成员函数

  1. 拷贝构造的参数建议写成引用。但不像调用拷贝构造，赋值重载可以写成传值传参，但传值传参要多调用一次拷贝构造
  2. 赋值重载是有返回值的，返回值建议是自身类类型的引用。为什么呢？主要是存在连续复制的情况

cpp 复制代码 
int main()
{
	Date d1(2024, 1, 1);
	Date d2;
	Date d3;

	d3 = d2 = d1;
	return 0;
}

赋值这个运算符是支持连续赋值的，重载后的赋值函数也应支持连续赋值

比如：

cpp 复制代码 
int i, j, k;
i = j = k = 1;

这个表达式是怎么执行的呢？

"=" 运算符的结合性是从右往左的；1 赋值给 k k k， k k k = 1 这个表达式是有返回值的，返回左操作数 k k k； k k k 赋值给 j j j，返回 j j j； j j j 再赋值给 i i i，返回 i i i。

所以上述赋值重载正确写法是：

cpp 复制代码 
	Date& operator=(const Date& d)
	{
		_year = d._yaer;
		_month = d._month;
		_day = d.day;

		return *this;
	}

这里返回值建议用引用，传值返回的话会多调用 一次拷贝构造

6.2.1、赋值运算符重载进阶

赋值运算符重载的进阶特点

  • 没有显式实现时 ，编译器会自动生成一个默认赋值运算符重载，默认运算符重载行为跟默认拷贝构造函数类似，对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝（一个字节一个字节的拷贝），对自定义类型成员变量会调用他的拷贝构造
  • 像 D a t e Date Date 这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器自动生成的赋值运算符重载就可以完成需要的拷贝，所以不需要我们显式实现赋值运算符重载。像 S t a c k Stack Stack 这样的类，虽然也都是内置类型，但是 /_ a a a 指向了资源，编译器自动生成的赋值运算符重载完成的值拷贝/浅拷贝不符合我们的需求，所以需要我们自己实现深拷贝（对指向的资源也进行拷贝）。像 M y Q u e u e MyQueue MyQueue 这样的内部主要是自定义类型 S t a c k Stack Stack 成员，编译器自动生成的赋值运算符重载会调用 S t a c k Stack Stack 的赋值运算符重载，也不需要我们显式实现 M y Q u e u e MyQueue MyQueue 的赋值运算重载。这里有一个小技巧，如一个类显式实现了析构并释放了资源，那它就需要显示写赋值运算符重载，否则不需要

这两点特点与拷贝构造是类似的，这里就不再赘述。

6.2.2、赋值重载拷贝与拷贝构造

这里赋值重载拷贝与拷贝构造很容易混淆，我们来看看

需要知道：赋值运算符重载与默认构造函数都是默认成员函数

赋值运算符重载用于完成两个已经存在的对象直接的拷贝赋值，而 拷贝构造是用于一个对象拷贝初始化给另一个要创建的对象

7、日期类的完整实现

下面，是日期类的完整实现，以便大家检验一下类与对象的成果

7.1、Date.h

cpp 复制代码 
#pragma once

#include<iostream>
using namespace std;
#include<assert.h>

class Date
{
	//友元声明
	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
	friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);
	
public:
	//检查日期是否合法
	bool CheckDate() const;
	//构造函数
	Date(int year = 2024, int month = 1, int day = 1);
	//打印日期
	void Print() const;

	// 频繁调用，Ĭinline函数
	int GetMonthDay(int year, int month) const
	{
		assert(month > 0 && month < 13);

		static int monthDayArray[13] = { -1, 31, 28, 31, 30, 31, 30,
31, 31, 30, 31, 30, 31 };

		if (month == 2 && ((year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || (year % 400 == 0)))
		{
			return 29;
		}

		return monthDayArray[month];
	}

	bool operator<(const Date& d) const;
	bool operator<=(const Date& d) const;
	bool operator>(const Date& d) const;
	bool operator>=(const Date& d) const;
	bool operator==(const Date& d) const;
	bool operator!=(const Date& d) const;

	Date operator+(int day) const;
	Date& operator+=(int day);

	Date operator-(int day) const;
	Date& operator-=(int day);

	// d1++;
	// d1.operator++(0);
	Date operator++(int);

	// ++d1;
	// d1.operator++();
	Date& operator++();

	// d1--;
	// d1.operator--(0);
	Date operator--(int);

	// --d1;
	// d1.operator--();
	Date& operator--();

	// d1 - d2
	int operator-(const Date& d) const;

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
istream& operator>>(istream& in, Date& d);

7.2、Date.cpp

cpp 复制代码 
#include"Date.h"

//检查日期是否合法
bool Date::CheckDate() const
{
	if (_month < 1 || _month > 12
		|| _day < 1 || _day > GetMonthDay(_year, _month))
	{
		return false;
	}
	else
	{
		return true;
	}
}

//构造函数
Date::Date(int year, int month, int day)
{
	_year = year;
	_month = month;
	_day = day;

	if (!CheckDate())
	{
		cout << "非法日期:";
		Print();
	}
}

// void Date::Print(const Date* const this)
void Date::Print() const
{
	cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}

// d1 < d2
bool Date::operator<(const Date& d) const
{
	if (_year < d._year)
	{
		return true;
	}
	else if (_year == d._year)
	{
		if (_month < d._month)
		{
			return true;
		}
		else if (_month == d._month)
		{
			return _day < d._day;
		}
	}

	return false;
}

// d1 <= d2
bool Date::operator<=(const Date& d) const
{
	return *this < d || *this == d;
}

bool Date::operator>(const Date& d) const
{
	return !(*this <= d);
}

bool Date::operator>=(const Date& d) const
{
	return !(*this < d);
}

bool Date::operator==(const Date& d) const
{
	return _year == d._year
		&& _month == d._month
		&& _day == d._day;
}

bool Date::operator!=(const Date& d) const
{
	return !(*this == d);
}

// d1 += 100
Date& Date::operator+=(int day)
{
	if (day < 0)
	{
		return *this -= (-day);
	}

	_day += day;
	while (_day > GetMonthDay(_year, _month))
	{
		_day -= GetMonthDay(_year, _month);
		++_month;
		if (_month == 13)
		{
			_year++;
			_month = 1;
		}
	}

	return *this;
}

// d1 + 100
Date Date::operator+(int day) const
{
	Date tmp = *this;
	tmp += day;

	return tmp;
}

// d1 - 100
Date Date::operator-(int day) const
{
	Date tmp = *this;
	tmp -= day;

	return tmp;
}

// d1 -= 100
Date& Date::operator-=(int day)
{
	if (day < 0)
	{
		return *this += (-day);
	}

	_day -= day;
	while (_day <= 0)
	{
		--_month;
		if (_month == 0)
		{
			_month = 12;
			--_year;
		}

		_day += GetMonthDay(_year, _month);
	}

	return *this;
}

// d1++;
// d1.operator++(0);
Date Date::operator++(int)
{
	Date tmp = *this;
	*this += 1;
	return tmp;
}

// ++d1;
// d1.operator++();
Date& Date::operator++()
{
	*this += 1;
	return *this;
}

// d1 - d2
int Date::operator-(const Date& d) const
{
	int flag = 1;
	Date max = *this;
	Date min = d;
	if (*this < d)
	{
		max = d;
		min = *this;
		flag = -1;
	}

	int n = 0;
	while (min != max)
	{
		++min;
		++n;
	}

	return n * flag;
}

ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "日" << endl;
	return out;
}

istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
	while (1)
	{
		cout << "请依次输入年月日:>";
		in >> d._year >> d._month >> d._day;

		if (!d.CheckDate())
		{
			cout << "输入日期非法:";
			d.Print();
			cout << "请重新输入!!!" << endl;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}

	return in;
}

注：

  1. int GetMonthDay(int year, int month) const是用来获取该年该月日期，因为需要多次调用，因此直接在类内实现成内联函数
  2. o p e e r a t o r opeerator opeerator+ 可通过 o p e e r a t o r opeerator opeerator+= 复用实现。 o p e e r a t o r opeerator opeerator+= 可通过 o p e e r a t o r opeerator opeerator+ 复用实现，但更推荐前者（ o p e r a t o r operator operator+ 达到实现效率一致， o p e e r a t o r opeerator opeerator+=
    后者要多调用两次拷贝构造和一次赋值）
  3. 对于 <，<=，==，>，>=，!= ，他们 6 个 任意实现 2 个即可，其他 4 个均可 通过逻辑间相互复用实现

好啦，本期关于类和对象的知识就介绍到这里啦，希望本期博客能对你有所帮助。同时，如果有错误的地方请多多指正，让我们在C语言的学习路上一起进步！

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