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运算符重载

为用户定义类型的操作数定制 C++ 运算符。

语法

重载的运算符是具有特殊的函数名的函数：

operator op (1)
operator 类型 (2)
operator new
operator new [] 		(3)
operator delete
operator delete [] 		(4)
operator "" 后缀标识符 (5) (C++11 起)
operator co_await (6) (C++20 起)
op - 下列 38 (C++20 前)39 (C++20 起) 个运算符之一： + - * / % ^ & | ~ ! = < > += -= *= /= %= ^= &= |= << >> >>= <<= == != <= >= <=> (C++20 起) && || ++ -- , ->* -> ( ) [ ]
1) 重载的运算符；
2) 用户定义的转换函数；
3) 分配函数；
4) 解分配函数；
5) 用户定义字面量；
6) 重载的 co_await 运算符用于 co_await 表达式。

重载的运算符

当表达式中出现某个运算符，且其至少一个操作数拥有类类型或枚举类型时，使用重载决议在具有与以下各项匹配的签名的函数中，确定所要调用的用户定义函数：

表达式 作为成员函数 作为非成员函数 示例
@a (a).operator@ ( ) operator@ (a) !std::cin 调用 std::cin.operator!()
a@b (a).operator@ (b) operator@ (a, b) std::cout << 42 调用 std::cout.operator<<(42)
a=b (a).operator= (b) 不能是非成员 std::string s; s = "abc"; 调用 s.operator=("abc")
a(b...) (a).operator()(b...) 不能是非成员 std::random_device r; auto n = r(); 调用 r.operator()()
a[b] (a).operator[](b) 不能是非成员 std::map<int, int> m; m[1] = 2; 调用 m.operator[](1)
a-> (a).operator-> ( ) 不能是非成员 auto p = std::make_unique<S>(); p->bar() 调用 p.operator->()
a@ (a).operator@ (0) operator@ (a, 0) std::vector<int>::iterator i = v.begin(); i++ 调用 i.operator++(0)

此表中，@ 是表示所有匹配运算符的占位符：@a 为所有前缀运算符，a@ 为除 -> 以外的所有后缀运算符，a@b 为除 = 以外的所有其他运算符

另外，对于比较运算符 ==, !=, <, >, <=, >=, <=> ，重载决议亦考虑从 operator== 或 operator<=> 生成的重写候选。

(C++20 起)

注意：对于重载的 co_await 、 (C++20 起)用户定义转换函数、用户定义字面量、分配与解分配，可分别见其专题。

重载的运算符（但非内建运算符）可用函数记法进行调用： 

std::string str = "Hello, ";
str.operator+=("world");                       // 同 str += "world";
operator<<(operator<<(std::cout, str) , '\n'); // 同 std::cout << str << '\n';
                                               // (C++17 起) 但定序不同

限制

  • 不能重载运算符 ::（作用域解析）、.（成员访问）、.*（通过成员指针的成员访问）及 ?:（三元条件）。
  • 不能创建新运算符，例如 **、<> 或 &|。
  • 运算符 && 与 || 的重载失去短路求值。
  • 重载的运算符 -> 必须要么返回裸指针，要么（按引用或值）返回同样重载了运算符 -> 的对象。
  • 不可能更改运算符的优先级、结合方向或操作数的数量。
  • &&、|| 和 ,（逗号）在被重载时失去其特殊的定序性质，并且即使不使用函数调用记法，也表现为与常规的函数调用相似。
(C++17 前)

规范实现

除了上述限制外，语言对重载运算符的所作所为或返回类型（它不参与重载决议）上没有其他任何制约，但通常期待重载的运算符表现尽可能与内建运算符相似：期待 operator+ 对其实参进行相加而非相乘，期待 operator= 进行赋值，如此等等。期待相关的运算符之间的表现也相似（operator+ 与 operator+= 做同一类加法运算）。返回类型为期待使用该运算符的表达式所限制：例如，令赋值运算符按引用返回，以使写出 a = b = c = d 可行，因为内建运算符允许这样做。

常见的重载运算符拥有下列典型、规范形式：[1]

赋值运算符

赋值运算符（operator=）有特殊性质：细节见复制赋值与移动赋值。

对规范的复制赋值运算符，期待其在自赋值时不进行操作，并按引用返回 lhs： 

// 假设对象保有可重用存储，例如一个分配于堆的缓冲区 mArray
T& operator=(const T& other) // 复制赋值
{
    if (this != &other) { // 期待检查自赋值
        if (other.size != size) {         // 存储不可复用
            delete[] mArray;              // 销毁 this 中的存储
            size = 0;
            mArray = nullptr;             // 在下一行抛出的情况下维持不变式
            mArray = new int[other.size]; // 分配 this 中的存储
            size = other.size;
        } 
        std::copy(other.mArray, other.mArray + other.size, mArray);
    }
    return *this;
}

对规范的移动赋值，期待其令被移动对象遗留于合法状态（即有完好类不变式的状态），且在自赋值时要么不做任何事，要么至少遗留对象于合法状态，并以非 const 引用返回 lhs，而且为 noexcept： 

T& operator=(T&& other) noexcept // 移动赋值
{
    if(this != &other) { // 自赋值时无操作（delete[]/size=0 亦 OK）
        delete[] mArray;                               // 删除此存储
        mArray = std::exchange(other.mArray, nullptr); // 令被移动对象遗留于合法状态
        size = std::exchange(other.size, 0);
    }
    return *this;
}

在复制赋值不能从资源复用中受益的情形下（它不管理堆分配数组，且无这么做的（可能传递的）成员，例如 std::vector 或 std::string 成员），有一种流行的便捷方式：复制并交换（copy-and-swap）赋值运算符，它按值接收形参（从而根据实参的值类别而同时支持复制和移动赋值），交换形参，并令析构函数进行清理。 

T& T::operator=(T arg) noexcept // 调用复制/移动构造函数以构造 arg
{
    std::swap(size, arg.size); // 在 *this 与 arg 间交换资源
    std::swap(mArray, arg.mArray);
    return *this;
} // 调用 arg 的析构函数以释放先前 *this 所保有的资源

这种形式自动提供强异常保证，但禁止资源复用。

流的提取与插入

接受 std::istream& 或 std::ostream& 作为左侧实参的 operator>> 与 operator<< 的重载，被称为插入与提取运算符。因为它们接收用户定义类型为右实参（a@b 中的 b），所以它们必须实现为非成员。 

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const T& obj)
{
    // 向流写入 obj
    return os;
}
std::istream& operator>>(std::istream& is, T& obj)
{
    // 从流读取 obj
    if( /* 不能构造 T */ )
        is.setstate(std::ios::failbit);
    return is;
}

这些运算符有时实现为友元函数。

函数调用运算符

当用户定义的类重载了函数调用运算符 operator() 时，它就成为函数对象 (FunctionObject) 类型。从 std::sort 到 std::accumulate 的许多标准算法都接受这种类型的对象以定制其行为。operator() 没有特别值得注意的规范形式，此处演示其用法 

struct Sum
{
    int sum;
    Sum() : sum(0) { }
    void operator()(int n) { sum += n; }
};
Sum s = std::for_each(v.begin(), v.end(), Sum());

自增与自减

当表达式中出现后缀自增与自减时，以一个整数实参 0 调用用户定义函数（operator++ 或 operator--）。它典型地实现为 T operator++(int)，其中参数被忽略。后缀自增与自减运算符通常以前缀版本实现： 

struct X
{
    X& operator++()
    {
        // actual increment takes place here
        return *this;
    }
    X operator++(int)
    {
        X tmp(*this); // copy
        operator++(); // pre-increment
        return tmp;   // return old value
    }
};

尽管前自增/前自减的规范形式是返回引用的，但同任何运算符重载一样，其返回类型是用户定义的；例如这些运算符对 std::atomic 的重载以值返回。

二元算术运算符

典型情况下，二元运算符都被实现为非成员以维持对称性（例如，将复数与整数相加时，若 operator+ 是复数类型的成员函数，则唯有 complex+integer 能编译，而 integer+complex 不能）。因为对于每个二元算术运算符都存在对应的复合赋值运算符，所以二元运算符的规范形式是基于其对应的复合赋值实现的： 

class X
{
 public:
  X& operator+=(const X& rhs) // 复合赋值（不必，但通常是成员函数，以修改私有成员）
  {
    /* 将 rhs 加到 *this 发生于此 */
    return *this; // 按引用返回结果
  }
 
  // 定义于类体内的友元是 inline 的，且在非 ADL 查找中被隐藏
  friend X operator+(X lhs,        // 按值传递 lhs 有助于优化链状的 a+b+c
                     const X& rhs) // 否则，两个形参都是 const 引用
  {
    lhs += rhs; // 复用复合赋值
    return lhs; // 按值返回结果（使用移动构造函数）
  }
};

关系运算符

标准的算法（如 std::sort）和容器（如 std::set），默认情况下期待 operator< 对于用户提供的类型有定义，并期待它实现严格弱序（从而满足比较 (Compare) 要求）。一种为结构体实现严格弱序的惯用方式是使用 std::tie 提供的字典序比较： 

struct Record
{
    std::string name;
    unsigned int floor;
    double weight;
    friend bool operator<(const Record& l, const Record& r)
    {
        return std::tie(l.name, l.floor, l.weight)
             < std::tie(r.name, r.floor, r.weight); // 保持相同顺序
    }
};

典型地，一旦提供了 operator<，其他关系运算符就都能通过 operator< 来实现。 

inline bool operator< (const X& lhs, const X& rhs){ /* 做实际比较 */ }
inline bool operator> (const X& lhs, const X& rhs){ return rhs < lhs; }
inline bool operator<=(const X& lhs, const X& rhs){ return !(lhs > rhs); }
inline bool operator>=(const X& lhs, const X& rhs){ return !(lhs < rhs); }

类似地，不相等运算符典型地通过 operator== 来实现： 

inline bool operator==(const X& lhs, const X& rhs){ /* 做实际比较 */ }
inline bool operator!=(const X& lhs, const X& rhs){ return !(lhs == rhs); }

当提供了三路比较（如 std::memcmp 或 std::string::compare）时，所有六个关系运算符都能通过它表达： 

inline bool operator==(const X& lhs, const X& rhs){ return cmp(lhs,rhs) == 0; }
inline bool operator!=(const X& lhs, const X& rhs){ return cmp(lhs,rhs) != 0; }
inline bool operator< (const X& lhs, const X& rhs){ return cmp(lhs,rhs) <  0; }
inline bool operator> (const X& lhs, const X& rhs){ return cmp(lhs,rhs) >  0; }
inline bool operator<=(const X& lhs, const X& rhs){ return cmp(lhs,rhs) <= 0; }
inline bool operator>=(const X& lhs, const X& rhs){ return cmp(lhs,rhs) >= 0; }

若定义 operator== 则编译器会自动生成不等运算符。类似地，若定义三路比较运算符 operator<=> 则编译器会自动生成四个关系运算符。若定义 operator<=> 为预置，则编译器会生成 operator== 与 operator<=> ： 

struct Record
{
    std::string name;
    unsigned int floor;
    double weight;
    auto operator<=>(const Record&) = default;
};
// 现在能用 ==、!=、<、<=、> 和 >= 比较 Record

细节见默认比较。

(C++20 起)

数组下标运算符

提供数组式访问并同时允许读写的用户定义类，典型地为 operator[] 定义两个重载：const 和非 const 变体： 

struct T
{
          value_t& operator[](std::size_t idx)       { return mVector[idx]; }
    const value_t& operator[](std::size_t idx) const { return mVector[idx]; }
};

若已知值类型是内建类型，则 const 变体应当按值返回。

当不希望或不可能直接访问容器元素，或者要区别左值（c[i] = v;）和右值（v = c[i];）的不同用法时，operator[] 可以返回一个代理。示例见 std::bitset::operator[]。

为提供多维数组访问语义，例如实现 3D 数组访问 a[i][j][k] = x;，operator[] 必须返回到 2D 平面的引用，它必须拥有自己的 operator[] 并返回到 1D 行的引用，而行必须拥有返回到元素的引用的 operator[]。为避免这种复杂性，一些库选择代之以重载 operator()，使得 3D 访问表达式拥有 Fortran 式的语法 a(i, j, k) = x;。

逐位算术运算符

实现位掩码类型 (BitmaskType) 的规定的用户定义类和枚举，要求重载逐位算术运算符 operator&、operator|、operator^、operator~、operator&=、operator|= 及 operator^=，而且可选地重载位移运算符 operator<<、operator>>、operator>>= 及 operator<<=。规范实现通常遵循上述的二元算术运算符。

布尔取反运算符

运算符 operator! 常为有意用于布尔语境的用户定义类所重载。这种类亦提供用户定义转换函数 explicit operator bool()（标准库样例见 std::basic_ios），而 operator! 的受期待行为是返回 operator bool 的取反。

(C++11 前)

由于内建运算符 ! 进行按语境到 bool 的转换，有意用于布尔语境的用户定义类能只提供 operator bool 而不需重载 operator! 。

(C++11 起)

罕有重载的运算符

下列运算符罕有重载：

  • 取址运算符 operator&。如果对不完整类型的左值应用一元 &，而完整类型声明了重载的 operator&，则行为未定义 (C++11 前)运算符拥有内建含义还是调用运算符函数是未指明的 (C++11 起)。因为此运算符可能被重载，所以泛型库都用 std::addressof 取得用户定义类型的对象的地址。最为人熟知的规范重载的 operator& 是 Microsoft 类 CComPtr。在 boost.spirit 中可以找到它在 EDSL 的使用案例。
  • 布尔逻辑运算符 operator&& 与 operator||。不同于内建版本，重载版本无法实现短路求值。而且不同于内建版本，它们也不会令左操作数的求值按顺序早于右操作数。 (C++17 前)标准库中，这些运算符仅为 std::valarray 重载。
  • 逗号运算符 operator,。不同于内建版本，重载版本不会令左操作数的求值按顺序早于右操作数。 (C++17 前)因为此运算符可能被重载，所以泛型库都用 a,void(),b 这种表达式取代 a,b，以对用户定义类型的表达式按顺序求值。boost 库在 boost.assign、boost.spirit 及几个其他库中使用 operator,。数据库访问库 SOCI 亦重载 operator,。
  • 通过成员指针的成员访问 operator->*。重载此运算符无特别缺点，但实践中少有使用。有人推荐这能作为智能指针接口的一部分，且实际上在 boost.phoenix 中的 actor 有实际用途。它在如 cpp.react 这样的 EDSL 中更常见。

示例

运行此代码
#include <iostream>
 
class Fraction
{
    int gcd(int a, int b) { return b == 0 ? a : gcd(b, a % b); }
    int n, d;
public:
    Fraction(int n, int d = 1) : n(n/gcd(n, d)), d(d/gcd(n, d)) { }
    int num() const { return n; }
    int den() const { return d; }
    Fraction& operator*=(const Fraction& rhs)
    {
        int new_n = n * rhs.n/gcd(n * rhs.n, d * rhs.d);
        d = d * rhs.d/gcd(n * rhs.n, d * rhs.d);
        n = new_n;
        return *this;
    }
};
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Fraction& f)
{
   return out << f.num() << '/' << f.den() ;
}
bool operator==(const Fraction& lhs, const Fraction& rhs)
{
    return lhs.num() == rhs.num() && lhs.den() == rhs.den();
}
bool operator!=(const Fraction& lhs, const Fraction& rhs)
{
    return !(lhs == rhs);
}
Fraction operator*(Fraction lhs, const Fraction& rhs)
{
    return lhs *= rhs;
}
 
int main()
{
   Fraction f1(3, 8), f2(1, 2), f3(10, 2);
   std::cout << f1 << " * " << f2 << " = " << f1 * f2 << '\n'
             << f2 << " * " << f3 << " = " << f2 * f3 << '\n'
             <<  2 << " * " << f1 << " = " <<  2 * f1 << '\n';
}

输出： 

3/8 * 1/2 = 3/16
1/2 * 5/1 = 5/2
2 * 3/8 = 3/4

缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

DR 应用于 出版时的行为 正确行为
CWG 1458 C++11 对重载了取址运算符的不完整类型取地址是未定义行为 行为只是未指明

参阅

常见运算符
赋值 自增
自减 		算术 逻辑 比较 成员访问 其他

a = b
a += b
a -= b
a *= b
a /= b
a %= b
a &= b
a |= b
a ^= b
a <<= b
a >>= b

++a
--a
a++
a--

+a
-a
a + b
a - b
a * b
a / b
a % b
~a
a & b
a | b
a ^ b
a << b
a >> b

!a
a && b
a || b

a == b
a != b
a < b
a > b
a <= b
a >= b
a <=> b

a[b]
*a
&a
a->b
a.b
a->*b
a.*b

a(...)
a, b
? :

特殊运算符

static_cast 转换一个类型为另一相关类型
dynamic_cast 在继承层级中转换
const_cast 添加或移除 cv 限定符
reinterpret_cast 转换类型到无关类型
C 风格转型 以 static_cast 、 const_cast 及 reinterpret_cast 的混合转换一个类型到另一类型
new 创建有动态存储期的对象
delete 销毁先前由 new 表达式创建的对象，并释放其所拥有的内存区域
sizeof 查询类型的大小
sizeof... 查询形参包的大小(C++11 起)
typeid 查询类型的类型信息
noexcept 查询表达式是否能抛出异常(C++11 起)
alignof 查询类型的对齐要求(C++11 起)

引用

  1. ↑ StackOverflow C++ FAQ 上的运算符重载