【C++要笑着学】运算符重载 | 赋值重载 | 取地址重载 | const成员

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柠檬叶子C 发表于 2022/04/08 11:49:09 2022/04/08
【摘要】 本章将开始讲解运算符重载。运算符重载的技能是学习实现 STL 内部底层的不可缺少的 "利器" ！所以本篇非常重要，下一篇会手把手实现一个Date类，可以进一步地实战体会运算符重载。

写在前面：

本章将开始讲解运算符重载。运算符重载的技能是学习实现 STL 内部底层的不可缺少的 "利器" ！所以本篇非常重要，下一篇会手把手实现一个Date类，可以进一步地实战体会运算符重载。


Ⅰ.  运算符重载

0x00 引入

​ 什么是运算符重载呢？

C++ 为了增强代码的可读性引入了运算符重载，运算符重载是具有特殊函数名的函数，也具有返回值类型，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。

​ 简单来说：就是能让自定义类型和内置类型一样使用运算符。


0x01 运算符重载的概念

函数名：  关键字 operator+ 需要重载的运算符符号

比如：
operator+
operator>
operator==

函数原型：返回值类型 operator 操作符（参数列表）

​ 返回值类型，看操作符运算后返回的值是什么。

参数，操作符有几个操作数，它就有几个参数。


📌 注意事项：

① 不能通过连接其他符号来创建新的操作符，

     你只能对已有的运算符进行重载，你也不能对内置类型进行重载。

operator@  ❌

② 重载操作符必须有一个类类型或枚举类型的操作数。

③ 用于内置类型的操作符，其含义不能改变。比如内置的 整型 +，你不能改变其含义。

④ 作为类成员的重载函数时，其形参看起来比操作数数目少 1，

     成员函数的操作符有一个默认的形参 this，限定为第一个形参。

⑤ 不支持运算符重载的 5 个运算符：

.          (点运算符)

::         (域运算符)
 
.*         (点星运算符,)
 
?:         (条件运算符)

sizeof

虽然点运算符（ . ）不能重载，但是箭头运算符（ -> ）是支持重载的

解引用（*）是可以重载的，不能重载的是点星运算符（ .* ）

​


⑥ 会自动转化

 重载后的运算符可以直接用！岂不美哉？

d1 > d2; 会转换成  operator>(d1, d2);     可读性大大增强

cout << (d1 > d2) << endl;
cout << operator>(d1, d2) << endl;

​


💬 举一个运算符重载的例子： ==

#include <iostream>
using namespace std;

class Date {
public:
	Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1) {
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}

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

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

int main(void) {
	Date d1(2022, 3, 8);
	Date d2(2022, 5, 1);
	
	cout << (d1 == d2) << endl;  

	return 0;
}

🚩 运行结果演示：

​


​ 这里会发现运算符重载成全局的，我们不得不将成员变量是共有的，

我们得把 private 撤掉：

​


❓ 那么问题来了，封装性如何保证？

​ 这里其实可以用 "友元" 来解决，如果现在不知道也没关系，我们后面会讲。

💬 或者干脆直接重载成成员函数就完事儿了：

#include <iostream>
using namespace std;

class Date {
public:
	Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1) {
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}

	/* d1 == d2 
	bool operator==(Date* this, const Date& d2)   （打回原形）  
	*/
	bool operator==(const Date& d2) {
		return (
			   this->_year == d2._year
			&& this->_month == d2._month
			&& this->_day == d2._day
			);
	}

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

int main(void) {
	Date d1(2022, 3, 8);
	Date d2(2022, 5, 1);
	
	cout << (d1 == d2) << endl;  

	return 0;
}

🔑 解读：

既然要当成员函数，就得明白这里的 this 指的是谁。

需要注意的是，左操作数是 this 指向的调用函数的对象。

此外，因为前几章才讲 this 指针，为了演示清楚，所以我这里把 this 写上（虽然可以不写）。



Ⅱ.  赋值重载（默认成员函数）

0x00 概念

​  赋值重载主要是把一个对象赋值给另一个对象。

如果你不写，编译器会默认生成。


 0x02  operator=（默认成员函数）

📌 要分清！

int main(void) 
{
    /* 一个已经存在的对象初始化一个马上创建实例化的对象 */
    Date d3(d1);  // 拷贝构造

    /* 两个已经存在的对象，之间进行赋值拷贝 */
	Date d1(2022, 3, 8);
	Date d2(2022, 5, 1);
	d1 = d2;    // 让 d1 和 d2 一样

	return 0;
}

类的默认成员函数 —— 赋值重载

​ 赋值运算符重载主要有以下四点：

① 参数类型

② 返回值年

③ 检查是否给自己复制

④ 返回 *this


💬 d1 = d2

#include <iostream>
using namespace std;

class Date {
public:
	/* 全缺省的构造函数 */
	Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1) {
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_year = day;
	}
	
	/* 赋值运算符重载：d1 = d3 */
	Date& operator=(const Date& d) {
		if (this != &d) {   // 防止自己跟自己赋值（这里的&d是取地址）
			this->_year = d._year;
			this->_month = d._month;
			this->_day = d._day;
		}

		return *this;   // 返回左操作数d1
	}

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

int main(void)
{
	Date d1(2022, 3, 10);
	Date d2(2022, 7, 1);

	d1 = d2;

	return 0;
}

🔑 解读：

一定要防止自己和自己赋值！我们这里加 if 语句来判断就是为了防止极端情况下，

自己给自己赋值，加上这条判断后就算遇到自己给自己赋值，就会不做处理，直接跳过。



​  因为出了作用域 *this 还在，所以我们可以使用引用来减少拷贝。

💬 我们来验证一下：

① 我们先把引用返回去掉：

Date& operator=(const Date& d) {...}
Date operator=(const Date& d) {...}

② 这里为了方便观察，就不让拷贝构造函数自己生成了。

我们自己实现一个只会嗷嗷叫的拷贝构造函数，不让编译器自己生成。

​

#include <iostream>
using namespace std;

class Date {
public:
	/* 全缺省的构造函数 */
	Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1) {
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_year = day;
	}

	/* 测试用拷贝构造 */
	Date(const Date& d) {
		cout << "调用了一次拷贝构造" << endl;
	}

	/* 赋值运算符重载：d1 = d3 */
	Date operator=(const Date& d) {
		if (this != &d) {
			this->_year = d._year;
			this->_month = d._month;
			this->_day = d._day;
		}

		return *this;   // 返回左操作数d1
	}

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

int main(void)
{
	Date d1(2022, 3, 10);
	Date d2(2022, 7, 1);
	Date d3(2020, 3, 5);

	Date d4(d3);   // 拷贝构造
	d1 = d2 = d3;  

	return 0;
}

🚩 运行结果如下：

​

​ 我们发现，调用了三次拷贝构造函数。

🔍 我们来调试看一下：

① 第一句 "调用了一次拷贝构造" 是因为 Date d4(d3) ，我们自己调用的。

​


② 第二句出自 d1 = d2 = d3 ，先是 d2 = d3。

因为传值返回不会直接返回对象，而是会生成一个拷贝的对象。

​


③ 第三句是 d2 = d3 搞完后把返回值作为参数再去调用：

​

所以一共三次：

​


💬 我们这里出了作用域，对象还在，就可以使用引用返回：

​

	/* 赋值运算符重载：d1 = d3 */
	Date& operator=(const Date& d) {
        if (this != &d) {
    		this->_year = d._year;
	    	this->_month = d._month;
		    this->_day = d._day;
        }

		return *this;   // 返回左操作数d1
	}

🚩 运行结果如下：
​


​  成功减少了拷贝！


📚 赋值运算符重载是默认成员函数，所以如果一个类没有显式定义赋值运算符重载，编译器也会生成一个，完成对象按字节序的值拷贝。

#include <iostream>

class Date {
public:
	Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1) {
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}

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

int main(void) {
	Date d1;
	Date d2(2022, 5, 1);
	
	// 这里 d1 调用的编译器自动生成operator完成拷贝，d2和d1的值也是一样的。
	d1 = d2;
	

	return 0;
}

​

​

既然编译器会自己默认生成，已经可以完成字节序的值拷贝了，我们还需要自己实现吗？

（上一篇博客我们经常问这种问题，以后就不再多说了）

当然像日期这样的类是没有必要的，有时候还是需要自己实现的。

💬 比如下面这种情况：

#include <iostream>
using namespace std;

class String {
public:
	String(const char* str = "") {
		this->_str = (char*)malloc(strlen(str) + 1);
		strcpy(this->_str, str);
	}
	~String() {
		cout << "~String() 吱吱吱" << endl;
		free(this->_str);
	}

private:
	char* _str;
};

int main(void)
{
	String s1("hello");
	String s2("world");

	s1 = s2;

	return 0;
}

​


📌 编译器默认生成复制重载，跟拷贝构造做的事情完全类似：

① 内置类型成员，会完成字节序值拷贝 —— 浅拷贝。

② 对于自定义类型成员变量，会调用它的 operator= 赋值。

​



Ⅲ.  const 成员

0x00  引入

​ 我们定义一个日期类，对它调用 Print ，是可以调得动的。

#include <iostream>

class Date {
public:
	Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1) {
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print() {
		printf("%d-%d-%d\n", _year, _month, _day);
	}

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

int main(void) {
	Date d1;
	d1.Print();

	return 0;
}

​



❓ 如果我这个对象是 const 的呢？

#include <iostream>

class Date {
public:
	Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1) {
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print() {
		printf("%d-%d-%d\n", _year, _month, _day);
	}

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

int main(void) {
	Date d1;
	d1.Print();
	
	const Date d2;
	d2.Print();

	return 0;
}

​

​ 这样编译就报错了，这块报错的原因是什么？

这里涉及的问题是 "权限的放大" ，这个知识点我们再前几章讲过。

我们可以使用 const 成员函数来解决这种情况，我们继续往下看。



0x01  const 修饰类的成员函数

​  将 const 修饰的类成员函数，我们称之为 const 成员函数。

const 修饰类成员函数，实际修饰的是该成员函数隐含的 this 指针，

表明在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改。


💬 这里我们可以在函数后面加 const，保持权限的统一：

void Print() const;
class Date {
public:
	Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1) {
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print() const {
		printf("%d-%d-%d\n", _year, _month, _day);
	}

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

int main(void) {
	Date d1;
	d1.Print();

	const Date d2;
	d2.Print();

	return 0;
}

🔑 直接看图详解：

为了能够更好地展示出 this 指针传递和接收的过程，我用黑色代码块表示。

​



0x02  使用建议

​ 成员函数加 const 是很好的！

建议能加上 const 都加上，这样普通对象和 const 对象都可以调用了。


但是，如果要修改成员变量的成员函数是不能加的，比如日期类中 += ++ 等等实现。

它是要修改的，你加 const 还怎么修改成员变量？？直接让它爬！

​（因为加 const，指向的类容不可被修改）



Ⅳ.  取地址重载（默认成员函数）

0x00 取地址操作符重载

​

💬 取地址运算符重载也是一个默认成员函数。

#include <iostream>
using namespace std;

class Date {
public:
	Date(int year, int month, int day) {
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	Date* operator&() {
		return this;
	}

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


int main(void)
{
	Date d1(2022, 2, 2);
	cout << &d1 << endl;   // 取出d1的地址

	return 0;
}

🚩 运行结果如下：

​



0x01 const 取地址运算符重载

💬 const 取地址运算符重载：

#include <iostream>
using namespace std;

class Date {
public:
	Date(int year, int month, int day) {
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	const Date* operator&() const {
		return this;   // this就是地址，返回this就是返回地址。
	}

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


int main(void)
{
	const Date d2(2022, 1, 1);
	cout << &d2 << endl;   // 取出d2的地址

	return 0;
}

🚩 运行结果： 

​



0x02 建议

​ 这两个运算符一般不需要重载。

因为它是默认成员函数，编译器会自己默认生成。


💬 其实让编译器自己去生成，就够 了：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;

class Date {
public:
	Date(int year, int month, int day) {
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

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


int main(void)
{
	Date d1(2022, 2, 2);
	cout << &d1 << endl;   // 取出d1的地址

	const Date d2(2022, 1, 1);
	cout << &d2 << endl;   // 取出d2的地址

	return 0;
}

🚩 运行结果：

​


💬 只有特殊情况才需要重载，比如你不想让别人取到你的地址：

#include <iostream>
using namespace std;

class Date {
public:
	Date(int year, int month, int day) {
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	Date* operator&() {
		// return this;  我不想让你取我的地址
		return nullptr;
	}

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


int main(void)
{
	Date d1(2022, 2, 2);
	cout << &d1 << endl;

	return 0;
}

🚩 运行结果： 

​





参考资料：

Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .

百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.

比特科技. C++[EB/OL]. 2021[2021.8.31]. 

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