C++学习之路—运算符重载（二）运算符重载作为类的成员函数和友元函数

时间：2021-01-01 19:48:34

（根据《C++程序设计》（谭浩强）整理，整理者：华科小涛，@http://www.cnblogs.com/hust-ghtao转载请注明）

对运算符重载的函数有两种处理方式：（1）把运算符重载的函数作为类的成员函数；（2）运算符重载的函数不是类的成员函数，在类中把它声明为友元函数。

1    把运算符重载函数作为类的成员函数

在上一篇博客（http://www.cnblogs.com/hust-ghtao/p/3525522.html）中，运算符重载函数 operator + 就是属于这种形式，它是Complex类中的成员函数。下面对这种方式进行分析。

例1：为了便于说明问题，将重载函数的定义重写如下：

   1: Complex Complex :: operator + ( Complex& c2 )

   2: {

   3:     Complex c ;

   4:     c.real = real + c2.real ;

   5:     c.imag = imag + c2.imag ;

   6:     return c ;

   7: }

有人可能会提出这样的疑问：“+”是双目运算符，为什么重载函数只有一个参数呢？实际上，运算符重载函数应当有两个参数，但是，由于重载函数是Complex类中的成员函数，因此有一个参数是隐含的，运算符函数是用this指针隐式的访问类对象的成员。可以看到operator+访问了两个对象中的成员，一个是this指针指向的对象中的成员，一个是形参对象中的成员。
2    把运算符重载函数作为类的友元函数
    运算符重载函数除了可以作为类的成员函数外，还可以是非成员函数。在有关的类中把它声明为友元函数，即友元运算符重载函数。
    例2：将运算符+重载为适用于复数加法，重载函数不作为成员函数，而放在类外，作为Complex类的友元函数。
   1: class Complex

   2: {

   3: public:

   4:     ...

   5:     friend Complex operator + ( Complex& c1 , Complex& c2 ) ;    //重载函数作为友元函数

   6: private:

   7:     double real ;

   8:     double imag ;

   9: };

  10:  

  11: Complex operator + ( Complex& c1 , Complex& c2 )                    //定义运算符+重载函数

  12: {

  13:     Complex c ;

  14:     c.real = c1.real + c2.real ;

  15:     c.imag = c1.imag + c2.imag ;

  16:     return c ;

  17: }

这个程序和把运算符重载函数作为类的成员函数相比，只做了一处改动，就是将运算符重载函数作为类外的普通函数，并在Complex类中声明它为友元函数。可以看到运算符重载函数有两个参数。C++编译系统将程序中的表达式 c1 + c2 解释为operator + ( c1 , c2 ) 。

有的读者可能会产生疑问：为什么把运算符函数作为友元函数？理由很简单，因为运算符函数要访问Complex类对象中的成员。如果运算符函数不是Complex类的友元函数，而是一个普通函数，它是没有权利访问Complex类的私有成员的。

3    将运算符重载函数作为类的成员函数和友元函数的区别

如果将运算符重在为类的成员函数，它可以通过this指针*地访问本类的数据成员，因此至少可以少写一个函数的参数。但必须要求运算表达式中第一个参数（即运算符左侧的操作数）是一个类对象，而且与运算符函数的类型相同。因为必须通过类的对象去调用该类的成员函数，而且只有运算符的返回值与该对象同类型，运算结果才有意义。

例如在例1中，将运算符+重载为类的成员函数，则表达式 c1+c2中第一个参数c1是Complex类对象，运算符函数的返回值的类型也是Complex。

当然这种规定也会带来问题，如想将一个复数和一个整数相加，如c1+i，可以运算符+作为成员函数，形式如下：

   1: Complex Complex :: operator + ( int& i )

   2: { 

   3:     return Complex( real+i ,imag ) ;

   4: }

则在表达式必须是 c3 = c2 + i ;而不能写成c3 = i + c2 ;

如果要求程序员时刻记得重载运算符左右的参数类型，显然不是明智的选择。另外如果出于某种考虑，要求运算符左侧的操作数属于C++的标准类型或是一个其他类的对象，则运算符重载函数不能作为成员函数，只能作为非成员函数。如果需要访问类的私有成员，则必须声明为友元函数。

如还是将一个复数和一个整数相加，如c1+i，可以运算符+作为友元函数，形式如下：

在Complex类中声明：

   1: friend Complex operator + ( int& i , Complex& c ) ; //第一个参数可以不是类对象

   2: friend Complex operator + ( Complex& c , int& i ) ;

在类外定义友元函数：

   1: Complex operator + ( int& i , Complex& c )

   2: {

   3:     return Complex( i+c.real , c.imag ) ;

   4: }

   5:  

   6: Complex operator + (  Complex& c , int& i  )

   7: {

   8:     return Complex( i+c.real , c.imag ) ;

   9: }

经过这样的处理之后，表达式 c3 = i + c2 ;和 c3 = c2 + i ; 都是合法的。编译系统会根据表达式的形式选择调用与之匹配的运算符重载函数。当然也可以把一个运算符重载函数作为友元函数，另一个作为成员函数。但不能两个都作为成员函数，原因显然哈。

究竟把运算符重载函数作为类的成员函数好，还是友元函数好？由于友元函数的使用会破坏类的封装，因此，从原则上说，要尽量将运算符函数作为成员函数。但应统筹考虑各方面的因素，以下提供具体原则，仅供参考：

（1）C++规定，赋值运算符“=”、下标运算符“[]”、函数调用运算符“()”、成员运算符“->”必须作为成员函数。

（2）流插入运算符“<<”和刘提取运算符“>>”、类型转换运算符只能作为友元函数。

（3）一般将单目运算符和复合运算符（+=、-=、/=、*=、！=、^=、%=、>>=、<<=）重载为成员函数。

（4）一般将双目运算符重载为友元函数。

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