C++学习笔记之运算符重载

一、运算符重载基本知识

在前面的一篇博文

C++学习笔记之模板（1）——从函数重载到函数模板

中，介绍了函数重载的概念，定义及用法，函数重载（也被称之为函数多态）就是使用户能够定义多个名称相同但特征标（参数列表）不同的函数，目的是在对不同类型的参数执行相同的操作时只用一个同名的函数。

运算符重载，就是使同一个运算符在面临不同类型的数据时作出不同的操作（函数重载是操作相同），就是让同一个运算符有多重功能。实际上我们经常用的许多运算符已被重载，例如，将*用于地址，将得到存储在这个地址中的值；但将它用于两个数字时，得到的将是它们的乘积。

C++允许将运算符重载扩展到用户定义的类型，如允许使用+将两个对象相加，编译器根据操作的数目和类型决定使用哪种加法的定义。

运算符重载格式如下：

operator运算符()；

例如，operator+()重载+运算符，operator-()重载-运算符等。但是被重载的运算符必须是有效的C++运算符，不能自创一个新的符号。

二、运算符重载示例

假设写一篇博客，上午花了1小时42分钟编码，下午又花了2小时33分钟修改，要计算总共花的时间，很显然与加法概念很吻合，但是要相加的单位是小时与分钟的混合，与内置的加法类型不匹配。采用一个使用方法来处理加法的Time类。作为对比，首先使用常规方法，建立一个名为sum()的函数，然后介绍使用重载运算符。

函数的方法：

 //mytime0,未使用运算符重载
 #ifndef MYTIME0_H
 #define MYTIME0_H
 
 class Time
 {
 private:
     int hours;
     int minutes;
 public:
     Time();
     Time(int h, int m = );
     void addMin(int m);
     void addHr(int h);
     void reset(int h = , int m = );
     Time sum(const Time & t ) const;
     void show() const;
 };
 
 #endif

 #include <iostream>
 #include "mytime0.h"
 
 Time::Time()
 {
     hours = minutes = ;
 }
 
 Time::Time(int h, int m)
 {
     hours = h;
     minutes = m;
 }
 
 void Time::addMin(int m)
 {
     minutes += m;
     hours += minutes / ;
     minutes %= ;
 }
 
 void Time::addHr(int h)
 {
     hours += h;
 }
 
 void Time::reset(int h, int m)
 {
     hours = h;
     minutes = m;
 }
 
 Time Time::sum(const Time & t) const
 {
     Time result;
     result.minutes = minutes + t.minutes;
     result.hours = hours + t.hours +result.minutes / ;
     result.minutes %= ;
     return result;
 }
 
 void Time::show() const
 {
     std::cout << hours << " hours, "    << minutes << " minutes";
 }

 /*usetime0*/
 #include <iostream>
 #include "mytime0.h"
 
 int main()
 {
     using std::cout;
     using std::endl;
     Time planning;
     Time coding(, );
     Time fixing(, );
     Time total;
 
     cout << "planning time = ";
     planning.show();
     cout << endl;
 
     cout << "coding time = ";
     coding.show();
     cout << endl;
 
     cout << "fixing time = ";
     fixing.show();
     cout << endl;
 
     total = coding.sum(fixing);
     cout << "coding.sum(fixing) = ";
     total.show();
     cout << endl;
 
     return ;
 }

运行结果：

运算符重载的方法：

这里所举例子比较简答，我们只需要将sum()名称改为operator+()即可。程序清单如下：

 //mytime0,未使用运算符重载
 #ifndef MYTIME0_H
 #define MYTIME0_H
 
 class Time
 {
 private:
     int hours;
     int minutes;
 public:
     Time();
     Time(int h, int m = );
     void addMin(int m);
     void addHr(int h);
     void reset(int h = , int m = );
     Time operator+(const Time & t ) const;
     void show() const;
 };
 
 #endif

 #include <iostream>
 #include "mytime0.h"
 
 Time::Time()
 {
     hours = minutes = ;
 }
 
 Time::Time(int h, int m)
 {
     hours = h;
     minutes = m;
 }
 
 void Time::addMin(int m)
 {
     minutes += m;
     hours += minutes / ;
     minutes %= ;
 }
 
 void Time::addHr(int h)
 {
     hours += h;
 }
 
 void Time::reset(int h, int m)
 {
     hours = h;
     minutes = m;
 }
 
 Time Time::operator+(const Time & t) const
 {
     Time result;
     result.minutes = minutes + t.minutes;
     result.hours = hours + t.hours +result.minutes / ;
     result.minutes %= ;
     return result;
 }
 
 void Time::show() const
 {
     std::cout << hours << " hours, "    << minutes << " minutes";
 }

 /*usetime0*/
 #include <iostream>
 #include "mytime0.h"
 
 int main()
 {
     using std::cout;
     using std::endl;
     Time planning;
     Time coding(, );
     Time fixing(, );
     Time total;
 
     cout << "planning time = ";
     planning.show();
     cout << endl;
 
     cout << "coding time = ";
     coding.show();
     cout << endl;
 
     cout << "fixing time = ";
     fixing.show();
     cout << endl;
 
     total = coding + fixing; //通过运算符+号直接调用重载的运算符
     cout << "coding + fixing =  ";
     total.show();
     cout << endl;
 
     Time morefixing(, );
     cout << "morefixing time = ";
     morefixing.show();
     cout << endl;
 
     total = morefixing.operator+(total);//也可以通过函数名的方式调用
     cout << "morefixing.operator+(total) = ";
     total.show();
     cout << endl;
 
     return ;
 }

总之，operator+()函数名使得可以使用函数表示法或运算符表示法来调用它。

如果t1,t2,t3,t4都是Time对象，可以这样操作吗：

t4 = t1 + t2 +t3;

我们来仔细分析下，+是从左向右结合的运算符，根据上述代码中的函数，上述语句首先被转换为：

t4 = t1.operator+(t2 + t3);  //t1调用operator+()函数

接着继续转换为：

t4 = t1.operator+(t2.operator+(t3)); //t2调用operator+()函数

上述语句合法吗？当然合法，因为 t2.operator+(t3)返回一个Time对象，是t2和t3的和，该对象又成为函数调用t1.operator+()的参数，该调用返回t1与表示t2和t3之和的Time对象的和。最后返回值为t1,t2,t3之和，正是我们想要的结果。可以看出，运算符重载实现运算功能要比函数看起来更加自然一些。

三、重载的限制

多数C++运算符都可以用这样的方式重载。但是没有绝对的自由。主要限制有如下几条：

1. 重载后的运算符至少有一个操作数是用户定义的类型。这将防止用户为标准类型重载运算符。假如没有这个限制，我们可以将-重载为两个double相加，而不是它们的差，就乱套了。
2. 使用运算符不能违反运算符原来的句法规则。例如。不能将求模运算符（%）重载成使用一个操作数：% x.同时不能修改运算符的优先级。
3. 不能创建新的运算符。例如，不能定义operator**()函数来表示求幂。
4. 不能重载如下运算符：

• • sizeof  sizeof运算符
  • .  成员运算符
  • .* 成员指针运算符
  • :: 作用域解析运算符
  • ?: 条件运算符
  • typeid 一个RTTI运算符
  • const_cast
  • dynamic_cast
  • reinterpret_cast
  • static_cast

　　5. 大多数运算符都可以通过成员或者非成员函数重载，但是下面的运算符只能通过成员函数重载

　　　　= 赋值运算符

　　　　() 函数调用运算符

　　　　[] 下表运算符

　　　　-> 通过指针访问类成员的运算符。