Основы перегрузки операторов. Основы перегрузки операторов Когда не обойтись без дружественных функций в перегрузке операторов
Доброго времени суток!
Желание написать данную статью появилось после прочтения поста Перегрузка C++ операторов , потому что в нём не были раскрыты многие важные темы.
Самое главное, что необходимо помнить - перегрузка операторов, это всего лишь более удобный способ вызова функций, поэтому не стоит увлекаться перегрузкой операторов. Использовать её следует только тогда, когда это упростит написание кода. Но, не настолько, чтобы это затрудняло чтение. Ведь, как известно, код читается намного чаще, чем пишется. И не забывайте, что вам никогда не дадут перегрузить операторы в тандеме со встроенными типами, возможность перегрузки есть только для пользовательских типов/классов.
Синтаксис перегрузки
Синтаксис перегрузки операторов очень похож на определение функции с именем operator@, где @ - это идентификатор оператора (например +, -, <<, >>). Рассмотрим простейший пример:class Integer { private: int value; public: Integer(int i): value(i) {} const Integer operator+(const Integer& rv) const { return (value + rv.value); } };
В данном случае, оператор оформлен как член класса, аргумент определяет значение, находящееся в правой части оператора. Вообще, существует два основных способа перегрузки операторов: глобальные функции, дружественные для класса, или подставляемые функции самого класса. Какой способ, для какого оператора лучше, рассмотрим в конце топика.
В большинстве случаев, операторы (кроме условных) возвращают объект, или ссылку на тип, к которому относятся его аргументы (если типы разные, то вы сами решаете как интерпретировать результат вычисления оператора).
Перегрузка унарных операторов
Рассмотрим примеры перегрузки унарных операторов для определенного выше класса Integer. Заодно определим их в виде дружественных функций и рассмотрим операторы декремента и инкремента:class Integer { private: int value; public: Integer(int i): value(i) {} //унарный + friend const Integer& operator+(const Integer& i); //унарный - friend const Integer operator-(const Integer& i); //префиксный инкремент friend const Integer& operator++(Integer& i); //постфиксный инкремент friend const Integer operator++(Integer& i, int); //префиксный декремент friend const Integer& operator--(Integer& i); //постфиксный декремент friend const Integer operator--(Integer& i, int); }; //унарный плюс ничего не делает. const Integer& operator+(const Integer& i) { return i.value; } const Integer operator-(const Integer& i) { return Integer(-i.value); } //префиксная версия возвращает значение после инкремента const Integer& operator++(Integer& i) { i.value++; return i; } //постфиксная версия возвращает значение до инкремента const Integer operator++(Integer& i, int) { Integer oldValue(i.value); i.value++; return oldValue; } //префиксная версия возвращает значение после декремента const Integer& operator--(Integer& i) { i.value--; return i; } //постфиксная версия возвращает значение до декремента const Integer operator--(Integer& i, int) { Integer oldValue(i.value); i.value--; return oldValue; }
Теперь вы знаете, как компилятор различает префиксные и постфиксные версии декремента и инкремента. В случае, когда он видит выражение ++i, то вызывается функция operator++(a). Если же он видит i++, то вызывается operator++(a, int). То есть вызывается перегруженная функция operator++, и именно для этого используется фиктивный параметр int в постфиксной версии.
Бинарные операторы
Рассмотрим синтаксис перегрузки бинарных операторов. Перегрузим один оператор, который возвращает l-значение, один условный оператор и один оператор, создающий новое значение (определим их глобально):class Integer { private: int value; public: Integer(int i): value(i) {} friend const Integer operator+(const Integer& left, const Integer& right); friend Integer& operator+=(Integer& left, const Integer& right); friend bool operator==(const Integer& left, const Integer& right); }; const Integer operator+(const Integer& left, const Integer& right) { return Integer(left.value + right.value); } Integer& operator+=(Integer& left, const Integer& right) { left.value += right.value; return left; } bool operator==(const Integer& left, const Integer& right) { return left.value == right.value; }
Во всех этих примерах операторы перегружаются для одного типа, однако, это необязательно. Можно, к примеру, перегрузить сложение нашего типа Integer и определенного по его подобию Float.
Аргументы и возвращаемые значения
Как можно было заметить, в примерах используются различные способы передачи аргументов в функции и возвращения значений операторов.- Если аргумент не изменяется оператором, в случае, например унарного плюса, его нужно передавать как ссылку на константу. Вообще, это справедливо для почти всех арифметических операторов (сложение, вычитание, умножение...)
- Тип возвращаемого значения зависит от сути оператора. Если оператор должен возвращать новое значение, то необходимо создавать новый объект (как в случае бинарного плюса). Если вы хотите запретить изменение объекта как l-value, то нужно возвращать его константным.
- Для операторов присваивания необходимо возвращать ссылку на измененный элемент. Также, если вы хотите использовать оператор присваивания в конструкциях вида (x=y).f(), где функция f() вызывается для для переменной x, после присваивания ей y, то не возвращайте ссылку на константу, возвращайте просто ссылку.
- Логические операторы должны возвращать в худшем случае int, а в лучшем bool.
Оптимизация возвращаемого значения
При создании новых объектов и возвращении их из функции следует использовать запись как для вышеописанного примера оператора бинарного плюса.return Integer(left.value + right.value);
Честно говоря, не знаю, какая ситуация актуальна для C++11, все рассуждения далее справедливы для C++98.
На первый взгляд, это похоже на синтаксис создания временного объекта, то есть как будто бы нет разницы между кодом выше и этим:
Integer temp(left.value + right.value); return temp;
Но на самом деле, в этом случае произойдет вызов конструктора в первой строке, далее вызов конструктора копирования, который скопирует объект, а далее, при раскрутке стека вызовется деструктор. При использовании первой записи компилятор изначально создаёт объект в памяти, в которую нужно его скопировать, таким образом экономится вызов конструктора копирования и деструктора.
Особые операторы
В C++ есть операторы, обладающие специфическим синтаксисом и способом перегрузки. Например оператор индексирования . Он всегда определяется как член класса и, так как подразумевается поведение индексируемого объекта как массива, то ему следует возвращать ссылку.Оператор запятая
В число «особых» операторов входит также оператор запятая. Он вызывается для объектов, рядом с которыми поставлена запятая (но он не вызывается в списках аргументов функций). Придумать осмысленный пример использования этого оператора не так-то просто. Хабраюзер AxisPod в комментариях к предыдущей статье о перегрузке рассказал об одном .Оператор разыменования указателя
Перегрузка этих операторов может быть оправдана для классов умных указателей. Этот оператор обязательно определяется как функция класса, причём на него накладываются некоторые ограничения: он должен возвращать либо объект (или ссылку), либо указатель, позволяющий обратиться к объекту.Оператор присваивания
Оператор присваивания обязательно определяется в виде функции класса, потому что он неразрывно связан с объектом, находящимся слева от "=". Определение оператора присваивания в глобальном виде сделало бы возможным переопределение стандартного поведения оператора "=". Пример:class Integer { private: int value; public: Integer(int i): value(i) {} Integer& operator=(const Integer& right) { //проверка на самоприсваивание if (this == &right) { return *this; } value = right.value; return *this; } };
Как можно заметить, в начале функции производится проверка на самоприсваивание. Вообще, в данном случае самоприсваивание безвредно, но ситуация не всегда такая простая. Например, если объект большой, можно потратить много времени на ненужное копирование, или при работе с указателями.
Неперегружаемые операторы
Некоторые операторы в C++ не перегружаются в принципе. По всей видимости, это сделано из соображений безопасности.- Оператор выбора члена класса ".".
- Оператор разыменования указателя на член класса ".*"
- В С++ отсутствует оператор возведения в степень (как в Fortran) "**".
- Запрещено определять свои операторы (возможны проблемы с определением приоритетов).
- Нельзя изменять приоритеты операторов
Роб Мюррей, в своей книге C++ Strategies and Tactics определил следующие рекомендации по выбору формы оператора:
Почему так? Во-первых, на некоторые операторы изначально наложено ограничение. Вообще, если семантически нет разницы как определять оператор, то лучше его оформить в виде функции класса, чтобы подчеркнуть связь, плюс помимо этого функция будет подставляемой (inline). К тому же, иногда может возникнуть потребность в том, чтобы представить левосторонний операнд объектом другого класса. Наверное, самый яркий пример - переопределение << и >> для потоков ввода/вывода.
Последнее обновление: 20.10.2017
Перегрузка операторов позволяет определить действия, которые будет выполнять оператор. Перегрузка подразумевает создание функции, название которой содержит слово operator и символ перегружаемого оператора. Функция оператора может быть определена как член класса, либо вне класса.
Перегрузить можно только те операторы, которые уже определены в C++. Создать новые операторы нельзя.
Если функция оператора определена как отдельная функция и не является членом класса, то количество параметров такой функции совпадает с количеством операндов оператора. Например, у функции, которая представляет унарный оператор, будет один параметр, а у функции, которая представляет бинарный оператор, - два параметра. Если оператор принимает два операнда, то первый операнд передается первому параметру функции, а второй операнд - второму параметру. При этом как минимум один из параметров должен представлять тип класса
Рассмотрим пример с классом Counter, который представляет секундомер и хранит количество секунд:
#include
Здесь функция оператора не является частью класса Counter и определена вне его. Данная функция перегружает оператор сложения для типа Counter. Она является бинарной, поэтому принимает два параметра. В данном случае мы складываем два объекта Counter. Возвращает функция также объект Counter, который хранит общее количесто секунд. То есть по сути здесь операция сложения сводится к сложению секунд обоих объектов:
Counter operator + (Counter c1, Counter c2) { return Counter(c1.seconds + c2.seconds); }
При этом необязательно возвращать объект класса. Это может быть и объект встроенного примитивного типа. И также мы можем определять дополнительные перегруженные функции операторов:
Int operator + (Counter c1, int s) { return c1.seconds + s; }
Данная версия складывает объект Counter с числом и возвращает также число. Поэтому левый операнд операции должен представлять тип Counter, а правый операнд - тип int. И, к примеру, мы можем применить данную версию оператора следующим образом:
Counter c1(20); int seconds = c1 + 25; // 45 std::cout << seconds << std::endl;
Также функции операторов могут быть определены как члены классов. Если функция оператора определена как член класса, то левый операнд доступен через указатель this и представляет текущий объект, а правый операнд передается в подобную функцию в качестве единственного параметра:
#include
В данном случае к левому операнду в функциях операторов мы обращаемся через указатель this.
Какие операторы где переопределять? Операторы присвоения, индексирования (), вызова (()), доступа к члену класса по указателю (->) следует определять в виде функций-членов класса. Операторы, которые изменяют состояние объекта или непосредственно связаны с объектом (инкремент, декремент,), обычно также определяются в виде функций-членов класса. Все остальные операторы чаще определяются как отдельные функции, а не члены класса.
Операторы сравнения
Ряд операторов перегружаются парами. Например, если мы определяем оператор == , то необходимо также определить и оператор != . А при определении оператора < надо также определять функцию для оператора > . Например, перегрузим данные операторы:
Bool operator == (Counter c1, Counter c2) { return c1.seconds == c2.seconds; } bool operator != (Counter c1, Counter c2) { return c1.seconds != c2.seconds; } bool operator > (Counter c1, Counter c2) { return c1.seconds > c2.seconds; } bool operator < (Counter c1, Counter c2) { return c1.seconds < c2.seconds; } int main() { Counter c1(20); Counter c2(10); bool b1 = c1 == c2; // false bool b2 = c1 > c2; // true std::cout << b1 << std::endl; std::cout << b2 << std::endl; return 0; }
Операторы присвоения
#include
Операции инкремента и декремента
Особую сложность может представлять переопределение операций инкремента и декремента, поскольку нам надо определить и префиксную, и постфиксную форму для этих операторов. Определим подобные операторы для типа Counter:
#include
Counter& operator++ () { seconds += 5; return *this; }
В самой функции можно определить некоторую логику по инкременту значения. В данном случае количество секунд увеличивается на 5.
Постфиксные операторы должны возвращать значение объекта до инкремента, то есть предыдущее состояние объекта. Чтобы постфиксная форма отличалась от префиксной постфиксные версии получают дополнительный параметр типа int, который не используется. Хотя в принципе мы можем его использовать.
Counter operator++ (int) { Counter prev = *this; ++*this; return prev; }
Минимальный оператор присваивания - это
Void Cls::operator=(Cls other) { swap(*this, other); }
Согласно стандарту, это копирующий
оператор присваивания.
Однако он также может выполнять перемещение, если у Cls есть перемещающий конструктор:
Cls a, b; a = std::move(b); // Работает как // Cls other(std::move(b)); a.operator=(other); // ^^^^^^^^^^ // перемещение: вызов Cls::Cls(Cls&&)
После обмена (swap) текущие члены класса оказываются во временном объекте other и удаляются при выходе из оператора присваивания.
При копирующем присваивании самому себе будет сделана лишняя копия, но никаких ошибок не будет.
Тип результата может быть любым.
Автоматически сгенерированный оператор присваивания имеет тип возвращаемого значения Cls& и возвращает *this .
Это позволяет писать код вида a = b = c или (a = b) > c .
Но многие соглашения по стилю кода такое не одобряют, в частности см. CppCoreGuidelines ES.expr "Avoid complicated expressions" .
Для работы этого оператора присваивания нужны конструкторы копирования/перемещения и функция обмена (swap).
Вместе это выглядит так:
Class Cls { public: Cls() {} // Конструктор копирования Cls(const Cls& other) : x(other.x), y(other.y) {} // Конструктор перемещения Cls(Cls&& other) noexcept { swap(*this, other); } // Оператор присваивания void operator=(Cls other) noexcept { swap(*this, other); } // Обмен friend void swap(Cls& a, Cls& b) noexcept { using std::swap; // Добавление стандартной функции в список перегрузок... swap(a.x, b.x); // ... и вызов с использованием поиска по типам аргументов (ADL). swap(a.y, b.y); } private: X x; Y y; };
Конструктор копирования копирует каждый член класса.
Конструктор перемещения конструирует пустые члены класса, и затем обменивает их со своим аргуменом. Можно перемещать каждый член по отдельности, но удобнее использовать swap .
Функция swap может быть свободной функцией-другом. Многие алгоритмы ожидают наличие свободной функции swap , и вызывают ее через поиск по типу аргументов (ADL).
Раньше рекомендовалось также писать метод
swap , чтобы можно было писать f().swap(x); , но с появлением семантики перемещения это стало не нужно.
Если функции не могут бросать исключений, то они должны быть помечены как noexcept . Это нужно для std::move_if_noexcept и других функций, которые могут использовать более эффективный код, если присваивание или конструктор не бросает исключений. Для такого класса
Std::is_nothrow_copy_constructible
Хотя оператор присваивания и помечен как noexcept , при его вызове с аргументом const Cls& произойдет копирование, которое может бросить исключение. По этому is_nothrow_copy_assignable возвращает false .
Бинарный оператор, такой как, например, оператор сложения operator + должен быть определен либо как нестатическая функция - член класса с одним параметром, либо как функция, которая не является членом класса, с двумя параметрами.
Выданные вам сообщения компилятора
Main.cpp:17:5: error: C++ requires a type specifier for all declarations operator+(Cat a, Cat b) { ^ main.cpp:18:16: error: cannot initialize return object of type "int" with an rvalue of type "Cat *" return new Cat(a.value + b.value); ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
говорят о том, что у определенного вами оператора отсутствует тип возвращаемого значения.
Тип возвращаемого значения может отсутствовать только у функций преобразования. В случае же оператора сложения вы обязаны указать тип возвращаемого значения.
При сложении двух объектов класса не имеет никакого смысла возвращать указатель на объект. В этому случае вы не сможете связывать операторы сложения в цепочку без применения дополнительных операторов, и, более того, это может привести к утечке памяти.
Оператор должен возвращать сам объект либо с квалификатором const либо без него.
Как уже выше упомянуто, оператор может быть объявлен как нестатическая функция-член класса с одним параметром.
В этом случае оператор operator + может выглядеть так
Class Cat { private: int value = 1; public: Cat(int _value) { value = _value; } Cat operator +(const Cat &a) const { return Cat(this->value + a.value); } };
Class Cat { private: int value = 1; public: Cat(int _value) { value = _value; } const Cat operator +(const Cat &a) const { return Cat(this->value + a.value); } };
Вы могли бы перегрузить оператор также для rvalue -ссылок, как, например,
Cat operator +(const Cat &&a) const { return Cat(this->value + a.value); }
Cat operator +(Cat &&a) const { return Cat(this->value + a.value); }
но для такого простого класса, который не захватывает большие ресурсы, это значения не имеет.
Обратите внимание на присутствие квалификатора condt после списка параметров. Это говорит о том, что сам объект, который будет присутствовать в левой части от оператора, изменяться не будет, так же, как и правый объект, так как соответствующий ему параметр оператора определен также с квалификатором const .
Имейте в виду, так как конструктор класса объявлен как преобразующий конструктор, то вы в этом случае можете складывать объекты класса Cat с числами. Например,
#include
Насколько это оправдано - это решать вам, исходя из того, какой смысл вкладывается в этот оператор сложения. Если вы не хотите допускать такого неявного преобразования из числа в объект класса Cat , то вы можете объявить конструктор, как явный. В этом случае программа не будет компилироваться, если имеет попытка сложить объект класса Cat с числом.
#include
Для этой программы компилятор выдаст сообщение об ошибке на подобие следующего
Prog.cpp:24:5: error: no match for "operator+" (operand types are "Cat" and "double") c1 + 5.5; ^
Второй способ объявить этот оператор - это объявить его как функцию, которая не является членом класса. Так как эта функция должна иметь доступ к закрытому члену класса value , то ее нужно будет объявить как дружественную функцию класса.
Саму функцию вы можете определить как внутри определения класса, так и вне его.
Например,
#include
Имейте в виду, что это плохая идея объявлять переменные, начинающиеся с подчеркивания. В общем случае такие имена, начинающиеся с подчеркивания, зарезервированы за компилятором.
Принято для параметров конструктора присваивать те имена, которые соответствуют именам членов класса. В этом случае сразу же видно, какой параметр какой член класса инициализирует. Поэтому вы могли бы определить конструктор следующим образом
Cat(int value) : value(value) { }
Если член класса value не может принимать отрицательные значения, то лучше его и соответствующий параметр конструктора объявить, как имеющие тип unsigned int .
Последнее обновление: 12.08.2018
Наряду с методами мы можем также перегружать операторы. Например, пусть у нас есть следующий класс Counter:
Class Counter { public int Value { get; set; } }
Данный класс представляет некоторый счетчик, значение которого хранится в свойстве Value.
И допустим, у нас есть два объекта класса Counter - два счетчика, которые мы хотим сравнивать или складывать на основании их свойства Value, используя стандартные операции сравнения и сложения:
Counter c1 = new Counter { Value = 23 }; Counter c2 = new Counter { Value = 45 }; bool result = c1 > c2; Counter c3 = c1 + c2;
Но на данный момент ни операция сравнения, ни операция сложения для объектов Counter не доступны. Эти операции могут использоваться для ряда примитивных типов. Например, по умолчанию мы можем складывать числовые значения, но как складывать объекты комплексных типов - классов и структур компилятор не знает. И для этого нам надо выполнить перегрузку нужных нам операторов.
Перегрузка операторов заключается в определении в классе, для объектов которого мы хотим определить оператор, специального метода:
Public static возвращаемый_тип operator оператор(параметры) { }
Этот метод должен иметь модификаторы public static , так как перегружаемый оператор будет использоваться для всех объектов данного класса. Далее идет название возвращаемого типа. Возвращаемый тип представляет тот тип, объекты которого мы хотим получить. К примеру, в результате сложения двух объектов Counter мы ожидаем получить новый объект Counter. А в результате сравнения двух мы хотим получить объект типа bool, который указывает истинно ли условное выражение или ложно. Но в зависимости от задачи возвращаемые типы могут быть любыми.
Затем вместо названия метода идет ключевое слово operator и собственно сам оператор. И далее в скобках перечисляются параметры. Бинарные операторы принимают два параметра, унарные - один параметр. И в любом случае один из параметров должен представлять тот тип - класс или структуру, в котором определяется оператор.
Например, перегрузим ряд операторов для класса Counter:
Class Counter { public int Value { get; set; } public static Counter operator +(Counter c1, Counter c2) { return new Counter { Value = c1.Value + c2.Value }; } public static bool operator >(Counter c1, Counter c2) { return c1.Value > c2.Value; } public static bool operator <(Counter c1, Counter c2) { return c1.Value < c2.Value; } }
Поскольку все перегруженные операторы - бинарные - то есть проводятся над двумя объектами, то для каждой перегрузки предусмотрено по два параметра.
Так как в случае с операцией сложения мы хотим сложить два объекта класса Counter, то оператор принимает два объекта этого класса. И так как мы хотим в результате сложения получить новый объект Counter, то данный класс также используется в качестве возвращаемого типа. Все действия этого оператора сводятся к созданию, нового объекта, свойство Value которого объединяет значения свойства Value обоих параметров:
Public static Counter operator +(Counter c1, Counter c2) { return new Counter { Value = c1.Value + c2.Value }; }
Также переопределены две операции сравнения. Если мы переопределяем одну из этих операций сравнения, то мы также должны переопределить вторую из этих операций. Сами операторы сравнения сравнивают значения свойств Value и в зависимости от результата сравнения возвращают либо true, либо false.
Теперь используем перегруженные операторы в программе:
Static void Main(string args) { Counter c1 = new Counter { Value = 23 }; Counter c2 = new Counter { Value = 45 }; bool result = c1 > c2; Console.WriteLine(result); // false Counter c3 = c1 + c2; Console.WriteLine(c3.Value); // 23 + 45 = 68 Console.ReadKey(); }
Стоит отметить, что так как по сути определение оператора представляет собой метод, то этот метод мы также можем перегрузить, то есть создать для него еще одну версию. Например, добавим в класс Counter еще один оператор:
Public static int operator +(Counter c1, int val) { return c1.Value + val; }
Данный метод складывает значение свойства Value и некоторое число, возвращая их сумму. И также мы можем применить этот оператор:
Counter c1 = new Counter { Value = 23 }; int d = c1 + 27; // 50 Console.WriteLine(d);
Следует учитывать, что при перегрузке не должны изменяться те объекты, которые передаются в оператор через параметры. Например, мы можем определить для класса Counter оператор инкремента:
Public static Counter operator ++(Counter c1) { c1.Value += 10; return c1; }
Поскольку оператор унарный, он принимает только один параметр - объект того класса, в котором данный оператор определен. Но это неправильное определение инкремента, так как оператор не должен менять значения своих параметров.
И более корректная перегрузка оператора инкремента будет выглядеть так:
Public static Counter operator ++(Counter c1) { return new Counter { Value = c1.Value + 10 }; }
То есть возвращается новый объект, который содержит в свойстве Value инкрементированное значение.
При этом нам не надо определять отдельно операторы для префиксного и для постфиксного инкремента (а также декремента), так как одна реализация будет работать в обоих случаях.
Например, используем операцию префиксного инкремента:
Counter counter = new Counter() { Value = 10 }; Console.WriteLine($"{counter.Value}"); // 10 Console.WriteLine($"{(++counter).Value}"); // 20 Console.WriteLine($"{counter.Value}"); // 20
Консольный вывод:
Теперь используем постфиксный инкремент:
Counter counter = new Counter() { Value = 10 }; Console.WriteLine($"{counter.Value}"); // 10 Console.WriteLine($"{(counter++).Value}"); // 10 Console.WriteLine($"{counter.Value}"); // 20
Консольный вывод:
Также стоит отметить, что мы можем переопределить операторы true и false . Например, определим их в классе Counter:
Class Counter { public int Value { get; set; } public static bool operator true(Counter c1) { return c1.Value != 0; } public static bool operator false(Counter c1) { return c1.Value == 0; } // остальное содержимое класса }
Эти операторы перегружаются, когда мы хотим использовать объект типа в качестве условия. Например:
Counter counter = new Counter() { Value = 0 }; if (counter) Console.WriteLine(true); else Console.WriteLine(false);
При перегрузке операторов надо учитывать, что не все операторы можно перегрузить. В частности, мы можем перегрузить следующие операторы:
унарные операторы +, -, !, ~, ++, --
бинарные операторы +, -, *, /, %
операции сравнения ==, !=, <, >, <=, >=
логические операторы &&, ||
операторы присваивания +=, -=, *=, /=, %=
И есть ряд операторов, которые нельзя перегрузить, например, операцию равенства = или тернарный оператор?: , а также ряд других.
Полный список перегружаемых операторов можно найти в документации msdn
При перегрузке операторов также следует помнить, что мы не можем изменить приоритет оператора или его ассоциативность, мы не можем создать новый оператор или изменить логику операторов в типах, который есть по умолчанию в.NET.