C++类和对象进阶：运算符重载深度详解

一匹电信狗2025-02-14 11:32

C++类和对象进阶：运算符重载

前言

在C++中，运算符重载允许我们为自定义类型赋予与内置类型相似的操作方式，极大提升了代码的可读性和灵活性。本文将深入探讨运算符重载的规则与实现 ，并重点分析默认成员函数之一的赋值运算符重载函数。

引入

cpp 复制代码 
class Date {
public:
	Date(int year = 2025, int month = 2, int day = 22) {
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main(){
	Date d1, d2;
	//d1 == d2;	// 若无运算符重载，这样的写法未定义。
	//if(d1 > d2){;}	// 若无运算符重载，这样的写法未定义。
}

思考以下场景 ：

如果想

  • 1. 比较两个日期类对象是否相等
  • 2. 两个日期相减的运算来计算相差的天数
  • 3. 计算一个日期100天后是什么日期

C++为了满足自定义类型中以上类似需求并为了增强代码的可读性，引入了运算符重载。

运算符重载

定义

运算符重载是具有特殊函数名的函数 ，也具有其返回值类型 ，函数名字以及参数列表 ，其返回值类型与参数列表与普通的函数类似。

语法

函数名字为：关键字operator后面接需要重载的运算符符号 。

例如要对==进行重载

cpp 复制代码 
//假定返回值为bool
bool operator==(int x, int y);	//声明

函数原型：返回值类型 operator操作符(参数列表)

注意事项

  • 不能通过连接其他符号来创建新的操作符：比如operator@。
  • 重载操作符必须有一个类类型参数。
  • 用于内置类型的运算符，其含义不能改变，例如：内置的整型+，不 能改变其含义。
  • 作为类成员函数重载时，其形参看起来比操作数数目少1，因为成员函数的第一个参数为隐藏的this指针。
  • .* ，::, sizeof, ? : , . 注意以上5个运算符不能重载。

总结以上内容：

  • 函数格式 ：返回类型 operator运算符(参数列表)
  • 关键限制 ：
    1. 只能重载C++中已有的运算符，不能创造新的运算符。
    2. 重载运算符主要是针对自定义类型的，因此operator必须有一个类类型参数.
    3. 不能改变运算符对内置类型操作的原始含义。
    4. 要重载的运算符有几个操作数，operator中就有几个参数(算上this指针)
    5. 以下运算符不可重载：.* :: sizeof ?: .。

重载为全局函数

cpp 复制代码 
bool operator<(const Date& d1, const Date& d2) {	
	if (d1._year < d2._year)
		return true;
	else if (d1._year == d2._year && d1._month < d2._month)
		return true;
	else if (d1._year == d2._year && d1._month == d2._month && d1._day < d2._day)
		return true;
	else
		return false;
}
class Date {
public:
	Date(int year = 2025, int month = 2, int day = 22) {
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
//private:	//暂时设为public,是为了让全局重载的<可以访问到类内的成员变量
public:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main(){
	Date d1(2025, 2, 12);
	Date d2(2024, 2, 12);
	cout << (d2 < d1) << endl;
	//d2 < d1 会被编译器转换成 d2.operator(d1),本质上是调用函数
	return 0;
}

注意：d1 < d2, 重载后的 < ，Date类对象使用<号时，左操作数是这里的d1，右操作数是这里的d2

这里会发现运算符重载成全局函数，需要成员变量是公有的，那么问题来了，封装性如何保证？

为解决这一问题，我们可以重载成成员函数。

重载为成员函数

cpp 复制代码 
//运算符重载
class Date {
public:
	Date(int year = 2025, int month = 2, int day = 22) {
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
	//操作符是几个操作数，operator函数就有几个参数(应该包括上隐含的this指针参数)
	//也可以全局重载，但在类内重载更方便，可以直接访问私有成员
	bool operator<(const Date& d) {	//自定义类型，最好传引用，类内不能通过形参d修改原变量，加上const
		if (this->_year < d._year)
			return true;
		else if (this->_year == d._year && this->_month < d._month)
			return true;
		else if (this->_year == d._year && this->_month == d._month && this->_day < d._day)
			return true;
		else
			return false;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
  • bool operator<(const Date& d);，这里需要注意的是，由于第一个形参是this , 左操作数是*this，是调用函数的对象，右操作数是传入的另一个对象。
  • 是否需要重载运算符，要看这些运算符对该类型是否有意义

对比分析：

特性 成员函数形式 全局函数形式
访问权限 可直接访问私有成员 需友元声明
左操作数类型 必须是类对象 任意类型
隐式this参数 有 无
对称性操作符 不便于处理 更适合（如<<流操作符）

掌握以上规则，我们便学会了如何对运算符进行重载。

接下来来看六大默认成员函数中的：赋值运算符重载。

运算符重载的本质

由上图汇编代码可以看到：
d1 < d2
d1.operator(d2)

本质都是调用了类内的函数。也正因如此，运算符重载函数也可以按照函数重载的规则重载。

默认赋值运算符重载(默认成员函数)

我们早已知道，赋值运算符重载是类内的一个默认成员函数。

C语言中自定义类型可以完成赋值操作(例如：同类型结构体之间的赋值 )，C++中的class同样支持赋值操作，只不过C++对这一行为进行了优化与升级。

  • 赋值运算符重载格式
    • 参数类型：const T&，传递引用可以提高传参效率
    • 返回值类型：T&，返回引用可以提高返回的效率，有返回值目的是为了支持连续赋值
    • 检测是否自己给自己赋值，允许自己给自己进行赋值，但此时不需要拷贝，直接返回当前对象本身。
    • 返回*this ：要复合连续赋值的含义
cpp 复制代码 
//运算符重载
class Date {
public:
	Date(int year = 2025, int month = 2, int day = 22) {
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
	//操作符是几个操作数，operator函数就有几个参数(应该包括上隐含的this指针参数)
	//也可以全局重载，但在类内重载更方便，可以直接访问私有成员
	bool operator<(const Date& d) {	//自定义类型，最好传引用，类内不能修改，加上const
		if (this->_year < d._year)
			return true;
		else if (this->_year == d._year && this->_month < d._month)
			return true;
		else if (this->_year == d._year && this->_month == d._month && this->_day < d._day)
			return true;
		else
			return false;
	}
	//赋值运算符重载是默认成员函数，编译器会自己生成， 不能写成全局的，
	Date& operator=(const Date& d) {
		//if (*this != d)	// 这样子比较，代价有点大，将 != 重载后是可以实现的，但是没必要
		if (this != &d) {	//防止这样的赋值 d1 = d1   如果自己给自己赋值，可以不复制
			this->_year = d._year;
			this->_month = d._month;
			this->_day = d._day;
		}
		return *this;	//返回对象的别名，出了作用域，*this生命周期还在
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

注意：赋值运算符只能重载成类的成员函数不能重载成全局函数。

原因：

  • 赋值运算符重载成全局函数时，就没有this指针了 ，无法访问类内的私有变量，需要给两个参数，如下示例：
cpp 复制代码 
Date& operator=(Date& left, const Date& right){
	if (&left != &right){
		left._year = right._year;
		left._month = right._month;
		left._day = right._day;
 	}
 	return left;
 }
  • 赋值运算符如果不显式实现 ，编译器会生成一个默认的。此时用户再在类外自己实现
    一个全局的赋值运算符重载，就和编译器在类中生成的默认赋值运算符重载冲突了 ，故赋值
    运算符重载只能是类的成员函数。

编译器自己生成的赋值运算符重载函数

用户没有显式实现时，编译器会生成一个默认赋值运算符重载，以值的方式逐字节拷贝 。

注意：内置类型成员变量是直接赋值的，而自定义类型成员变量需要调用对应类的赋值运算符
重载完成赋值。

  • 观察以下程序
cpp 复制代码 
class Stack{
typedef int DataType;
public:
	Stack(size_t capacity = 10){
 		_array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));
 		if (nullptr == _array){
 			perror("malloc申请空间失败");
 			return;
 		}
 		_size = 0;
 		_capacity = capacity;
	}
	void Push(const DataType& data){
		// CheckCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
 	}
	~Stack(){
		if (_array){
			free(_array);
 			_array = nullptr;
 			_capacity = 0;
 			_size = 0;
 		}
	}
private:
	DataType *_array;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
int main(){
	Stack s1;
	s1.Push(1);
	s1.Push(2);
	Stack s2;
	s2 = s1;
	return 0;
}

以上程序会报错
报错原因和往期文章中的拷贝构造函数类似。

  • main函数结束时，会调用Stack中的析构函数对s1和s2两个对象进行析构。
  • 编译器默认生成的赋值运算符重载进行的是值拷贝。由于进行了s2 = s1的赋值操作，赋值过后, s2和s1中变量_array存放了同一块空间的地址。
  • main函数结束后，会调用st1和st2的析构函数，由于地址相同，则会对同一块空间析构两次(对同一块空间free两次)。因此会报错。

需要自己实现的场景

总结默认赋值运算符重载

  • 默认成员函数：默认赋值运算符重载是默认成员函数
  • 重载特性：只能重载成类的成员函数不能重载成全局函数,若定义为全局函数会与编译器默认生成的冲突。
  • 拷贝方式：编译器生成的默认赋值运算符重载函数完成字节序的值拷贝了(浅拷贝)
  • 需要手动实现的场景：如果类中未涉及到资源管理(在堆区申请空间)，赋值运算符是否实现都可以；一旦涉及到资源管理则必须要手动实现深拷贝。

拷贝构造函数和赋值重载的区分

思考一下情景，会调用拷贝构造还是赋值重载？

cpp 复制代码 
Date d1(2025, 2, 12);
Date d2(2024, 3, 13);
//思考会分别调用什么函数
Date d3 = d1;	//拷贝构造  还是  赋值运算符重载 ?
d2 = d1;		//拷贝构造  还是  赋值运算符重载 ?

验证

这是我们的测试代码

cpp 复制代码 
class Date {
public:
	Date(int year = 2025, int month = 2, int day = 22){
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
	Date& operator=(const Date& d) {
		if (this != &d) {
			this->_year = d._year;
			this->_month = d._month;
			this->_day = d._day;
		}
		return *this;
	}
	Date(const Date& d) {
		cout << "Date(const Date& d) " << endl;
		_year = d._year;
		_month = d._month;
		_day = d._day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main(){
	Date d1(2025, 2, 12);
	Date d2(2024, 3, 13);
	//思考会分别调用什么函数
	Date d3 = d1;	//拷贝构造  还是  赋值运算符重载 ?
	d2 = d1;		//拷贝构造  还是  赋值运算符重载 ?
}

我们来调试验证：

C++拷贝构造与赋值重载的区分

总结：

cpp 复制代码 
//区分拷贝构造和赋值运算符重载
Date d1(2025, 2, 12);
Date d2(2024, 3, 13);
//用一个已经存在的对象初始化另一个对象  -----  调用拷贝构造函数
Date d3 = d1;	//等价于 Date d3(d1);

//已经存在的两个对象之间赋值拷贝  -----  赋值运算符重载函数
d2 = d1;
  • 用一个已经存在的对象初始化另一个对象 ----- 调用拷贝构造函数
  • 已经存在的两个对象之间赋值拷贝 ----- 赋值运算符重载函数

总结

特性 运算符重载 赋值运算符重载
必要性 增强代码可读性 资源管理的必要手段
默认行为 无 浅拷贝
典型应用场景 算术运算、比较运算 对象复制、资源管理
实现要点 操作数类型、返回值优化 深拷贝、自赋值检查

最佳实践建议：

  1. 优先使用成员函数形式进行运算符重载
  2. 对于资源管理类必须实现深拷贝赋值
  3. 流操作符(<<, >>)建议采用全局函数+友元形式
  4. 保持运算符的语义一致性（例如+不应修改操作数）

通过合理使用运算符重载，可以显著提升代码的表达能力，使自定义类型的使用更加直观自然。但需谨记"能力越大责任越大"，不当的运算符重载反而会降低代码可维护性。
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