重载运算符

重载运算符是通过对运算符的重新定义,使得其支持特定数据类型的运算操作。重载运算符是重载函数的特殊情况。

C++ 自带的运算符,最初只定义了一些基本类型的运算规则。当我们要在用户自定义的数据类型上使用这些运算符时,就需要定义运算符在这些特定类型上的运算方式。

限制

重载运算符存在如下限制:

  • 只能对现有的运算符进行重载,不能自行定义新的运算符。
  • 以下运算符不能被重载: :: (作用域解析), . (成员访问), .* (通过成员指针的成员访问), ?: (三目运算符)。
  • 重载后的运算符,其运算优先级,运算操作数,结合方向不得改变。
  • && (逻辑与)和 || (逻辑或)的重载失去短路求值。

实现

重载运算符分为两种情况,重载为成员函数或非成员函数。

当重载为成员函数时,因为隐含一个指向当前成员的 this 指针作为参数,此时函数的参数个数与运算操作数相比少一个。

而当重载为非成员函数时,函数的参数个数与运算操作数相同。

下面将给出几个重载运算符的示例。

函数调用运算符

函数调用运算符 () 只能重载为成员函数。通过对一个类重载 () 运算符,可以使该类的对象能像函数一样调用。

重载 () 运算符的一个常见应用是,将重载了 () 运算符的结构体作为自定义比较函数传入优先队列等 STL 容器中。

下面就是一个例子:给出 n 个学生的姓名和分数,按分数降序排序,分数相同者按姓名字典序升序排序,输出排名最靠前的人的姓名和分数。

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#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;
struct student {
  string name;
  int score;
};
struct cmp {
  bool operator()(const student& a, const student& b) const {
    return a.score < b.score || (a.score == b.score && a.name > b.name);
  }
};
priority_queue<student, vector<student>, cmp> pq;
int main() {
  int n;
  cin >> n;
  for (int i = 1; i <= n; i++) {
    string name;
    int score;
    cin >> name >> score;
    pq.push({name, score});
  }
  student rk1 = pq.top();
  cout << rk1.name << ' ' << rk1.score << endl;
  return 0;
}

自增自减运算符

自增自减运算符分为两类,前置和后置。为了能将两类运算符区别开来,对于后置自增自减运算符,重载的时候需要添加一个类型为 int 的空置形参。

另外一点是,内置的自增自减运算符中,前置的运算符返回的是引用,而后置的运算符返回的是值。虽然重载后的运算符不必遵循这一限制,不过在语义上,仍然期望重载的运算符与内置的运算符在返回值的类型上保持一致。

因此,对于类型 T,典型的重载自增运算符的定义如下:

重载定义(以 ++ 为例) 成员函数 非成员函数
前置 T& T::operator++(); T& operator++(T& a);
后置 T T::operator++(int); T operator++(T& a, int);

比较运算符

std::sort 和一些 STL 容器中,需要用到 < 运算符。在使用自定义类型时,我们需要手动重载。

还是以讲函数调用运算符时举的例子说起,如果我们重载比较运算符,实现代码是这样的(主函数因为没有改动就略去了):

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struct student {
  string name;
  int score;
  bool operator<(const student& a) const {
    return score < a.score || (score == a.score && name > a.name);
    // 上面省略了 this 指针,完整表达式如下:
    // this->score<a.score||(this->score==a.score&&this->name>a.name);
  }
};
priority_queue<student> pq;

上面的代码将小于号重载为了成员函数,当然重载为非成员函数也是可以的。

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struct student {
  string name;
  int score;
};
bool operator<(const student& a, const student& b) {
  return a.score < b.score || (a.score == b.score && a.name > b.name);
}
priority_queue<student> pq;

事实上,只要有了 < 运算符,则其他五个比较运算符的重载也可以很容易实现。

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/* clang-format off */

// 下面的几种实现均将小于号重载为非成员函数

bool operator<(const T& lhs, const T& rhs) { /* 这里重载小于运算符 */ }
bool operator>(const T& lhs, const T& rhs) { return rhs < lhs; }
bool operator<=(const T& lhs, const T& rhs) { return !(lhs > rhs); }
bool operator>=(const T& lhs, const T& rhs) { return !(lhs < rhs); }
bool operator==(const T& lhs, const T& rhs) { return !(lhs < rhs) && !(lhs > rhs); }
bool operator!=(const T& lhs, const T& rhs) { return !(lhs == rhs); }

参考资料与注释:


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