【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 $Date$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 $operator$ 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 $this$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

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 $GetYear$ 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

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 $this$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：

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$this$指针)，怎么进行区分呢？
  
  C++ 规定，后置++ 重载时，增加一个 $int$ 参数，跟 前置++ 构成函数重载，方便区分。
  $int$ 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 $Date$ 的 前置++ 和 后置++：

//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 $\ast$ 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

//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

  
5. 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);

6. 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 $Date$类 重载 $operator$- 就有意义，重载成 $operator$+ 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：

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 $out$ 是 $cout$ 的引用，$out$ 就是 $cout$
  
我们测试一下：

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

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 $this$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：

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 $this$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 $this$指针 是隐式的，我们无法改变，C++规定 $this$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
  

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

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 $d2$ 的输出，那这个返回值是什么呢？很显然是 $cout$

  
  因此，正确的重载应该是这样：

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 $out$，即 $cout$
  
  

6.1.5.3、日期类 operator>> 的实现

  接下来我们实现流提取

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 $const$，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 $operator$ 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 $this$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 $Date$类 重载 $operator$- 就有意义，但是重载 $operator$+ 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 $operator$++，无法很好的区分。C++ 规定，后置++ 重载时，增加一个$int$ 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，==$this$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 $ostream$ / $istream$ 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 $const$ 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

	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

  

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：

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 $k$， $k$ = 1 这个表达式是有返回值的，返回左操作数 $k$；$k$ 赋值给 $j$，返回 $j$；$j$ 再赋值给 $i$，返回 $i$。

  
  所以上述赋值重载正确写法是：

	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 $Date$ 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 $Stack$ 这样的类，虽然也都是内置类型，但是 /_$a$ 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 $MyQueue$ 这样的内部主要是自定义类型 $Stack$ 成员，编译器自动生成的赋值运算符重载会调用 $Stack$ 的赋值运算符重载，也不需要我们显式实现 $MyQueue$ 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

#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 - d2int 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

#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. $opeerator$+ 可通过 $opeerator$+= 复用实现。$opeerator$+= 可通过 $opeerator$+ 复用实现，但更推荐前者（$operator$+ 达到实现效率一致，$opeerator$+=
   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

  
  
  
  
  

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  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！