C++的算符重载

　　算符重载的作用是什么？它允许你为类的用户提供一个直觉的接口。 算符重载允许C/C++的运算符在用户定义类型（类）上拥有一个用户定义的意义。重载的算符是函数调用的语法修饰： 　

class Fred {
　public:　　　　// 
};
#if 0 　　　　　　　　　　// 没有算符重载：
Fred add(Fred, Fred);
Fred mul(Fred, Fred);
Fred f(Fred a, Fred b, Fred c)
{
　return add(add(mul(a,b), mul(b,c)), mul(c,a)); // 哈哈，多可笑
}
#else 　　// 有算符重载：
Fred operator+ (Fred, Fred);
Fred operator* (Fred, Fred);
Fred f(Fred a, Fred b, Fred c)
{
　return a*b + b*c + c*a;
}
#endif

　　算符重载的好处是什么？

　　通过重载类上的标准算符，你可以发掘类的用户的直觉。使得用户程序所用的语言是面向问题的，而不是面向机器的。 最终目标是降低学习曲线并减少错误率。

　　有什么算符重载的实例？这里有一些算符重载的实例：

　　myString + yourString 可以连接两个 std::string 对象

　　myDate++ 可以增加一个 Date 对象

　　a * b 可以将两个 Number 对象相乘

　　a[i] 可以访问 Array 对象的某个元素

　　x = *p 可以反引用一个实际指向一个磁盘记录的 "smart pointer" 它实际上在磁盘上定位到 p 所指向的记录并返回给x。

　　但是算符重载使得我的类很丑陋；难道它不是应该使我的类更清晰吗？算符重载使得类的用户的工作更简易，而不是为类的开发者服务的！ 考虑一下如下的例子：

class Array {
　public:
int& operator[] (unsigned i);
};
inline
int& Array::operator[] (unsigned i)
{ 　　// 
}

　　有些人不喜欢operator关键字或类体内的有些古怪的语法。但是算符重载语法不是被期望用来使得类的开发者的工作更简易。它被期望用来使得类的用户的工作更简易： 　

int main()
{
　Array a;
　a[3] = 4; // 用户代码应该明显而且易懂
}

　　记住:在一个面向重用的世界中，使用你的类的人有很多，而建造它的人只有一个（你自己）；因此你做任何事都应该照顾多数而不是少数。

　　什么算符能／不能被重载？大多数都可以被重载。C的算符中只有 . 和 ？ :（以及sizeof，技术上可以看作一个算符）。C++增加了一些自己的算符，除了::和.*，大多数都可以被重载。 这是一个下标算符的示例（它返回一个引用）。先没有算符重载：

class Array {
public:
int& elem(unsigned i) { 　if (I  99) error(); return data[i]; }
　private:
　int data[100];
};
int main()
{
　Array a;
　a.elem(10) = 42;
　a.elem(12) += a.elem(13);
}
　　现在用算符重载给出同样的逻辑：
class Array {
public:
int& operator[] (unsigned i)　 {　 if (I  99) error(); return data[i]; }
　private:
　int data[100];
};
int main()
{
　Array a;
　a[10] = 42;
　a[12] += a[13];
}

　　我能重载 operator== 以便比较两个 char[] 来进行字符串比较吗？不行：被重载的算符，至少一个操作数必须是用户定义类型（大多数时候是类）。 但即使C++允许，也不要这样做。因为在此处你应该使用类似 std::string的类而不是字符数组，因为数组是有害的。因此无论如何你都不会想那样做的。

　　我能为幂运算创建一个 operator** 吗？不行。 运算符的名称、优先级、结合性以及元数都是由语言固定的。在C++中没有operator**，因此你不能为类类型创建它。

　　如果还有疑问，考虑一下x ** y与x * (*y)等同（换句话说，编译器假定 y 是一个指针）。此外，算符重载只不过是函数调用的语法修饰。虽然这种特殊的语法修饰非常美妙，但它没有增加任何本质的东西。我建议你重载pow(base,exponent)（双精度版本在中）。

　　顺便提一下，operator^可以成为幂运算，只是优先级和结合性是错误的。

　　如何为Matrix（矩阵）类创建下标运算符？ [Recently changed so it uses new-style headers and the std:: syntax (on 7/00). Click here to go to the next FAQ in the "chain" of recent changes.]

　　用 operator()而不是operator[]。

　　当有多个下标时,最清晰的方式是使用operator()而不是operator[]。原因是operator[]总是带一个参数，而operator()可以带任何数目的参数（在矩形的矩阵情况下，需要两个参数）。

　　如：

class Matrix {
　public:
　Matrix(unsigned rows, unsigned cols);
　double& operator() (unsigned row, unsigned col);
　double operator() (unsigned row, unsigned col) const; // 
　Matrix(); // 析构函数
　Matrix(const Matrix& m); // 拷贝构造函数
　Matrix& operator= (const Matrix& m); // 赋值算符　　　// 
　private:
　unsigned rows_, cols_;
　double* data_;
};
inline
Matrix::Matrix(unsigned rows, unsigned cols)
: rows_ (rows),
cols_ (cols),
data_ (new double[rows * cols])
{
　if (rows == 0 || cols == 0)
　throw BadIndex("Matrix constructor has 0 size");
}
inline
Matrix::~Matrix()
{
　delete[] data_;
}
inline
double& Matrix::operator() (unsigned row, unsigned col)
{
　if (row = rows_ || col = cols_)
　throw BadIndex("Matrix subscript out of bounds");
　return data_[cols_*row + col];
}
inline
double Matrix::operator() (unsigned row, unsigned col) const
{
　if (row = rows_ || col = cols_)
　throw BadIndex("const Matrix subscript out of bounds");
　return data_[cols_*row + col];
}
　　然后，你可以使用m(I,j)来访问Matrix m 的元素，而不是m[i][j]：
int main()
{
　Matrix m(10,10);
　m(5,8) = 106.15;
　std::cout  m(5,8); 　// 
}

　　为什么Matrix（矩阵）类的接口不应该象数组的数组？本FAQ其实是关于：某些人建立的Matrix 类，带有一个返回 Array 对象的引用的operator[]。而该Array 对象也带有一个 operator[] ，它返回Matrix的一个元素（例如，一个double的引用）。因此，他们使用类似m[i][j]的语法来访问矩阵的元素，而不是象m(I,j)的语法。

　　数组的数组方案显然可以工作，但相对于operator()方法来说，缺乏灵活性。尤其是，用[][]方法很难表现的时候，用operator()方法可以很简单的完成，因此[][]方法很可能导致差劲的表现，至少某些情况细是这样的。

　　例如，实现[][]方法的最简单途径就是使用作为密集矩阵的，以以行为主的形式保存（或以列为主，我记不清了）的物理布局。相反，operator() 方法完全隐藏了矩阵的物理布局，在这种情况下，它可能带来更好的表现。

　　可以这么认为：operator()方法永远不比[][]方法差，有时更好。

　　operator() 永远不差，是因为用operator()方法实现以行为主的密集矩阵的物理布局非常容易。因此，当从性能观点出发，那样的结构正好是最佳布局时，operator()方法也和[][]方法一样简单（也许operator()方法更容易一点点，但我不想夸大其词）。 Operator() 方法有时更好，是因为当对于给定的应用，有其它比以行为主的密集矩阵更好的布局时，用 operator() 方法比[][]方法实现会容易得多。 作为一个物理布局使得实现困难的例子，最近的项目发生在以列访问矩阵元素（也就是，算法访问一列中的所有元素，然后是另一列等），如果物理布局是以行为主的，对矩阵的访问可能会cache失效。例如，如果行的大小几乎和处理器的cache大小相当，那么对每个元素的访问，都会发生cache不命中。在这个特殊的项目中，我们通过将映射从逻辑布局（行，列）变为物理布局（列，行），性能得到了20%的提升。

　　当然，还有很多这类事情的例子，而稀疏矩阵在这个问题中则是又一类例子。通常，使用operator()方法实现一个稀疏矩阵或交换行／列顺序更容易，operator()方法不会损失什么，而可能获得一些东西它不会更差，却可能更好。

　　使用 operator() 方法。

　　该从外（接口优先）还是从内（数据优先）设计类？从外部！ 良好的接口提供了一个简化的，以用户词汇表达的视图。在面向对象软件的情况下，接口通常是单个类或一组紧密结合的类的public方法的集合. 首先考虑对象的逻辑特征是什么，而不是打算如何创建它。例如，假设要创建一个Stack（栈）类，其包含一个 LinkedList： 　

class Stack {
　public: 　// 
　private:
　LinkedList list_;
};

　　Stack是否应该有一个返回LinkedList的get()方法？或者一个带有LinkedList的set()方法？或者一个带有LinkedList的构造函数？显然，答案是不，因为应该从外向里设计接口。也就是说，Stack对象的用户并不关心 LinkedList；他们只关心 pushing 和 popping。

　　现在看另一个更微妙的例子。假设 LinkedList类使用Node对象的链表来创建，每一个Node对象有一个指向下一个Node的指针： 　

class Node { /**/ };
class LinkedList {
　public: 　// 
　private:
　Node* first_;
};

　　LinkedList类是否应该有一个让用户访问第一个Node的get()方法？Node 对象是否应该有一个让用户访问链中下一个 Node 的 get()方法？换句话说，从外部看，LinkedList应该是什么样的？LinkedList 是否实际上就是一个 Node 对象的链？或者这些只是实现的细节？如果只是实现的细节，LinkedList 将如何让用户在某时刻访问 LinkedList 中的每一个元素？

　　某人的回答：LinkedList 不是的 Node 链。它可能的确是用 Node 创建的，但这不是本质。它的本质是元素的序列。因此，LinkedList 象应该提供一个LinkedListIterator，并且LinkedListIterator应该有一个operator++ 来访问下一个元素，并且有一对get()/set()来访问存储于Node 的值（Node 元素中的值只由LinkedList用户负责，因此有一对get()/set()以允许用户自由地维护该值）。

　　从用户的观点出发，我们可能希望 LinkedList类支持看上去类似使用指针算法访问数组的算符： 　

void userCode(LinkedList& a)
{
　for (LinkedListIterator p = a.begin(); p != a.end(); ++p)
　std::cout  *p  'n';
}

　　实现这个接口，LinkedList需要一个begin()方法和end()方法。它们返回一个LinkedListIterator对象。该LinkedListIterator需要一个前进的方法，++p ；访问当前元素的方法，*p；和一个比较算符，p != a.end()。

　　如下的代码，关键在于 LinkedList 类没有任何让用户访问 Node 的方法。Node 作为实现技术被完全地隐藏了。LinkedList内部可能用双重链表取代，甚至是一个数组，区别仅仅在于一些诸如

　　prepend(elem) 和 append(elem)方法的性能上。

#include // Poor man's exception handling
class LinkedListIterator;
class LinkedList;
class Node { 　　// No public members; this is a "private class"
　friend LinkedListIterator; // 友员类
　friend LinkedList;
　Node* next_;
　int elem_;
};
class LinkedListIterator {
public:
bool operator== (LinkedListIterator i) const;
bool operator!= (LinkedListIterator i) const;
void operator++ (); // Go to the next element
int& operator* (); // Access the current element
private:
LinkedListIterator(Node* p);
Node* p_;
friend LinkedList; // so LinkedList can construct a LinkedListIterator
};
class LinkedList {
　public:
　void append(int elem); // Adds elem after the end
　void prepend(int elem); // Adds elem before the beginning 　// 
　LinkedListIterator begin();
　LinkedListIterator end(); 　// 
　private:
　Node* first_;
};

　　这些是显然可以内联的方法（可能在同一个头文件中）： 　

inline bool LinkedListIterator::operator== (LinkedListIterator i) const
{
　return p_ == i.p_;
}
vinline bool LinkedListIterator::operator!= (LinkedListIterator i) const
{
　return p_ != i.p_;
}
　inline void LinkedListIterator::operator++()
{
　assert(p_ != NULL); // or if (p_==NULL) throw 
　p_ = p_-next_;
}
inline int& LinkedListIterator::operator*()
{
　assert(p_ != NULL); // or if (p_==NULL) throw 
　return p_-elem_;
}
inline LinkedListIterator::LinkedListIterator(Node* p)
: p_(p)
{ }
inline LinkedListIterator LinkedList::begin()
{
　return first_;
}
inline LinkedListIterator LinkedList::end()
{
　return NULL;
}

　　结论：链表有两种不同的数据。存储于链表中的元素的值由链表的用户负责（并且只有用户负责，链表本身不阻止用户将第三个元素变成第五个），而链表底层结构的数据（如 next 指针等）值由链表负责（并且只有链表负责，也就是说链表不让用户改变（甚至看到！）可变的next 指针）。

　　因此 get()/set() 方法只获取和设置链表的元素，而不是链表的底层结构。由于链表隐藏了底层的指针等结构，因此它能够作非常严格的承诺（例如，如果它是双重链表，它可以保证每一个后向指针都被下一个 Node 的前向指针匹配）。

　　我们看了这个例子，类的一些数据的值由用户负责（这种情况下需要有针对数据的get()/set()方法），但对于类所控制的数据则不必有get()/set()方法。

　　注意：这个例子的目的不是为了告诉你如何写一个链表类。实际上不要自己做链表类，而应该使用编译器所提供的容器类的一种。理论上来说，要使用标准容器类之一，如：std::list 模板。