深入理解 C#.NET 运算符重载：语法、设计原则与最佳实践

简介

运算符重载是 C# 提供的一种特性，允许开发者为 自定义类型（类/结构体） 定义运算符的行为。 例如，可以让 Vector 对象支持 + 运算，而不是仅限于基本类型（int、double 等）。

💡 本质：运算符重载是一个 带有 operator 关键字的静态方法，通过自定义方法改变运算符的操作行为。

适用范围与限制

特性	说明
可重载的类型	类（class） 和 结构体（struct）
不可重载的类型	接口、枚举、委托
方法修饰符	必须是 public static
至少一个自定义类型	运算符的参数中至少有一个必须是用户自定义类型
不能重载的运算符	.（成员访问）、?:（条件运算符）、new、is、as、typeof、sizeof、=, +=, -=（但可以间接重载）

支持重载的运算符

分类	运算符
一元运算符	+ - ! ~ ++ -- true false
二元运算符	+ - * / % & `
比较运算符	== != < > <= >=（必须成对重载，如重载==则必须重载!=）
转换运算符	implicit（隐式转换） explicit（显式转换）

基本语法

public static 返回类型 operator 运算符(参数列表)
{
    // 自定义逻辑
}

• operator 关键字定义运算符。

• 参数中至少有一个是当前类/结构体。

• 建议返回新的对象，保持不可变性。

常见示例

重载二元运算符（+）

创建一个二维向量类：

public struct Vector
{
    public double X { get; }
    public double Y { get; }

    public Vector(double x, double y) => (X, Y) = (x, y);

    public static Vector operator +(Vector a, Vector b)
        => new Vector(a.X + b.X, a.Y + b.Y);

    public override string ToString() => $"({X}, {Y})";
}

// 使用
var v1 = new Vector(1, 2);
var v2 = new Vector(3, 4);
Console.WriteLine(v1 + v2); // 输出: (4, 6)

重载一元运算符（-）

public static Vector operator -(Vector v)
    => new Vector(-v.X, -v.Y);

var v = new Vector(5, -3);
Console.WriteLine(-v); // 输出: (-5, 3)

重载比较运算符（==, !=）

比较向量是否相等：

public static bool operator ==(Vector a, Vector b)
    => a.X == b.X && a.Y == b.Y;

public static bool operator !=(Vector a, Vector b)
    => !(a == b);

// 建议同时重写 Equals 和 GetHashCode
public override bool Equals(object? obj)
    => obj is Vector v && this == v;
public override int GetHashCode()
    => HashCode.Combine(X, Y);

• 重载 == 时 必须 同时重载 !=。

• Equals 和 GetHashCode 也要同步实现，保证一致性。

重载递增/递减运算符（++/--）

public static Vector operator ++(Vector v)
    => new Vector(v.X + 1, v.Y + 1);

public static Vector operator --(Vector v)
    => new Vector(v.X - 1, v.Y - 1);

转换运算符（implicit/explicit）

在 Vector 和 double 之间转换：

public static implicit operator double(Vector v)
    => Math.Sqrt(v.X * v.X + v.Y * v.Y); // 隐式转换为长度

public static explicit operator Vector(double d)
    => new Vector(d, d); // 需要强制转换

使用：

Vector v = new Vector(3, 4);
double len = v; // 隐式转换
Vector v2 = (Vector)5.0; // 显式转换

逻辑运算符（true/false）

用于自定义布尔逻辑：

public static bool operator true(Vector v) => v.X != 0 || v.Y != 0;
public static bool operator false(Vector v) => v.X == 0 && v.Y == 0;

Vector v = new Vector(0, 0);
if (v) // 自动调用 operator true
    Console.WriteLine("非零向量");
else
    Console.WriteLine("零向量");

运算符与方法的关系

运算符重载只是语法糖，编译器会将运算符转换为静态方法调用：

var c = a + b;
// 等价于
var c = Vector.op_Addition(a, b);

常用方法映射：

运算符	生成的方法名
+	op_Addition
-	op_Subtraction
*	op_Multiply
/	op_Division
==	op_Equality
!=	op_Inequality

综合示例：复数类

public struct Complex
{
    public double Real { get; }
    public double Imag { get; }

    public Complex(double real, double imag)
        => (Real, Imag) = (real, imag);

    public static Complex operator +(Complex a, Complex b)
        => new Complex(a.Real + b.Real, a.Imag + b.Imag);

    public static Complex operator -(Complex a, Complex b)
        => new Complex(a.Real - b.Real, a.Imag - b.Imag);

    public static Complex operator *(Complex a, Complex b)
        => new Complex(a.Real * b.Real - a.Imag * b.Imag,
                       a.Real * b.Imag + a.Imag * b.Real);

    public static bool operator ==(Complex a, Complex b)
        => a.Real == b.Real && a.Imag == b.Imag;

    public static bool operator !=(Complex a, Complex b)
        => !(a == b);

    public override string ToString() => $"{Real} + {Imag}i";
}

总结

特性	说明
适用场景	数学计算类（向量、矩阵、复数）、日期时间、坐标类
关键规则	public static、至少一个参数为自定义类型
搭配使用	Equals、GetHashCode、IComparable
设计建议	遵循语义一致性、返回新对象、与方法重载保持协调