【C++】C++类的学习（三）——运算符重载与友元函数

小灰灰 2022-05-27 01:49 182阅读 0赞

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## 前言 ##

前面的两篇博文中介绍了类的一些基本特性，今天讲一讲运算符重载和友元。

## 运算符重载 ##

运算符重载是C++中一种形式的多态，运算符重载将重载的概念运用到运算符上，赋予运算符更多地含义。也许乍然一听，似乎我们对它并不熟悉，其实它一直为我们使用，例如 **\*** 运算符，将其运用于地址，将得到地址中的值；将其用于两个数值之间，那么它表示乘号。这就是运算符的重载，与函数重载类似，根据操作数和类型来决定采用哪种操作。

在定义一个类时，往往需要重载一些运算符。以Time类为例，一个Time类的对象具有hours和mintue两个属性。如果早上吃饭花了0小时45分钟，中午吃饭花了1小时0分钟，下午吃饭花了1小时30分钟，求一天共花多少时间在吃饭上面。这里肯定不能直接用加号，因为相加的单位与C++内置类型不符，此时我们可以重载加号，让Time类的对象能够直接相加。

### 运算符重载的格式 ###

运算符重载的格式如下；

类名 operator 运算符（形参）{函数体}

以重载Time类的加号为例，其声明和实现分别如下；

**声明**

Time operator+(const Time &t) const;

**实现**

Time Time::operator+(const Time &t) const
    {
    	Time sum;
    	sum.mintues = mintues + t.mintues;
    	sum.hours = hours + t.hours + sum.mintues / 60;
    	sum.mintues = sum.mintues % 60;
    	return sum;
    }

当Time类的对象直接像普通对象一样使用加号时，其本质是对象调用类的成员函数，例如

Time sumtime=time1+time2；
         Time sumtime=time1. Operator+(time2);

是等价的。在运算符调用中，运算符左侧的对象是调用运算符的对象，右侧的对象是作为参数被传递的对象。

### 运算符重载的限制 ###

很多运算符都可以进行重载，但是也是有所限制的。具体限制如下；

1. 重载后的运算符必须至少有一个操作数是用户定义的类型，这是为了防止程序员为标准类型重载运算符，可以确保程序正确运行。

2. 不能修改运算符的优先级，不能违反运算符原本的运算规则。例如在重载加号时，不能提供两个形参（友元除外），例如下面的这种重载方式就是不被允许的；

Time operator+(const Time &t1，const Time &t2) const;

因为加法是一种双目运算符。在重载为类的成员函数后，加法运算的第一项应该是调用函数的一个对象。所以在运算符重载时，参数表中的参数数目应该是重载运算符的操作数减1。

3. 不能创造新的运算符，例如不能定义operator\*\*（）运算符；

4. 不能重载以下运算符；

**.**：成员运算符

**.\***：成员指针运算符

**::** ：作用域运算符

**?:**：条件运算符

siezof：sizeof运算符。

5. 很多运算符可以通过成员或者非成员函数进行重载，但是以下四种只能通过成员函数进行重载；

**=**：赋值运算符；

( )：函数调用运算符；

\[ \]:下表运算符；

\_>:通过指针方位类成员的运算符。

6. 自增运算符（++）与自减运算符（--）

由于自增和自减运算符是单目运算符，在重载时应该是没有参数的，但是又有前置与后置之分，例如++i与i++。为了隽星区分，C++做了规定；

Time operator++()      //前置
    Time operator++(int)   //后置

## 友元 ##

前面提到，当对象使用重载后的运算符时，其本质是运算符调用类的成员函数。那么如果想要重载输出运算符的话，其声明如下；

Time operator<<(ostream &os) const;

那么使用应该是下面这样；

time1 << cout;

这样的使用方法就非常让人疑惑了。通过友元，我们可以使用下面的方式进行运算符重载。

ostream & operator<<(ostream &os, const Time &t)           //友元在类外定义的时候，不需要添加friend；
    {
    	os << "hours:" << t.hours << "  " << "mintues:" << t.mintues << "  ";
    	return os;
    }

那么什么是友元呢？

### 友元的格式 ###

C++中友元有三种，分别是**友元函数，友元类，友元成员函数**，这里介绍的是友元函数。

创建友元函数的第一步是声明，友元函数的声明放在类的声明中，并且在前面加上friend关键字。例如；

friend ostream& operator<<(ostream &os, const Time &t);

虽然友元在类中声明，但是它并不是成员函数，所以不能使用成员运算符来调用它，但是它却跟成员运算符有相同的访问权限，即可以通过友元访问类的私有成员。

第二步是定义友元，友元可以直接在声明的时候进行定义，即内联的定义。也可以定义在类外，定义在类外时，不需要加类作用域运算符，也不需要有friend关键字。

### 友元函数的使用 ###

与普通的运算符重载成员函数一样，友元也可以直接调用

例如；

cout<<time1<<time2;

其等价于;

operator<<(operator<<(cout,time1),time2);

之所以能够连续输出两个对象，就是因为重载后的输出运算符返回了一个ostream对象，这一点与标准输出运算符是一致的。也可以看出，一个双目运算符，如果在类内重载，那它的参数数目为1，如果利用友元重载，其参数数目为2。

## 代码 ##

照例，在此给出类实现的所有代码，以供大家参考

### mytime.h ###

//------mytime.h
    #ifndef MYTIME_H
    #define MYTIME_H
    #include <iostream>
    
    using namespace std;
    
    class Time
    {
    	//----------私有成员，类中的成员默认是私有的
    private:
    	int hours;
    	int mintues;
    
    	//----------共有成员
    public:
    	Time();                                                       //默认构造函数
    	Time(int h, int m = 0);                                       //显式构造函数
    	Time(const Time &);                                           //拷贝构造函数
    	~Time();                                                      //析构函数
    	void AddMin(int m);
    	void AddHour(int h);
    
    	void reset(int h = 0, int m = 0);
    
    	//------展示函数show()     
    	void Time::show() const
    	{
    		cout << "hours:" << hours << "  " << "mintues:" << mintues << "  ";
    	}
    
    
    
    	Time operator+(const Time &t) const;                          //运算符重载
    	
    	Time operator-(const Time &t) const;
    	Time operator*(double n) const;
    	friend Time operator*(double n, const Time &t)                //友元；
    	{
    		return t*n;                                               //在这里又调用了重载运算符   operator*(double n) const；
    	}                                                             //内联形式的定义；
    
    
    
    	friend ostream & operator<<(ostream &os, const Time &t);     //一个双目运算符在重载时，如果是以友元的形式声明的，那么他有两个形参；如果是类的成员函数，那么他只有一个形参；
    
    };
    
    
    //-------时间重置,内联函数
    inline void Time::reset(int h, int m)
    {
    	hours = h;
    	mintues = m;
    }
    
    
    #endif

### mytime.cpp ###

//--mytime.cpp
    
    #include <iostream>
    #include "mytime.h"
    
    using namespace std;
    
    //-------默认构造函数
    Time::Time()
    {
    	hours = mintues = 0;
    	cout << "调用默认构造函数" << endl;
    }
    
    //------显式的构造函数
    Time::Time(int h, int m) :hours(h), mintues(m)
    {
    	cout << "调用显式构造函数" << endl;
    }
    
    //------拷贝构造函数
    Time::Time(const Time &t)
    {
    	hours = t.hours;
    	mintues = t.mintues;
    	cout << "调用拷贝构造函数" << endl;
    }
    
    //------析构函数
    Time::~Time()
    {
    	cout << "调用了析构函数" << endl;
    }
    
    //-------小时相加
    void Time::AddHour(int h)
    {
    	hours += h;
    }
    
    //------分钟相加
    void Time::AddMin(int m)
    {
    	mintues += m;
    	hours += mintues / 60;
    	mintues %= 60;
    }
    
    
    //------重载+号
    Time Time::operator+(const Time &t) const
    {
    	Time sum;
    	sum.mintues = mintues + t.mintues;
    	sum.hours = hours + t.hours + sum.mintues / 60;
    	sum.mintues = sum.mintues % 60;
    	return sum;
    }
    
    //------重载-号
    Time Time::operator-(const Time &t) const
    {
    	Time diff;
    
    	int time1 = hours * 60 + mintues;
    	int time2 = t.hours * 60 + t.mintues;
    
    	diff.hours = (time1 - time2) / 60;
    	diff.mintues = (time1 - time2) % 60;
    
    	return diff;
    }
    
    //-------重载乘号
    Time Time::operator*(double n) const
    {
    	Time result;
    	long totalMintues = n*hours * 60 + n*mintues;
    
    	result.hours = totalMintues / 60;
    	result.mintues = totalMintues % 60;
    
    	return result;
    }
    
    
    
    //-------友元输出操作符
    ostream & operator<<(ostream &os, const Time &t)           //友元在类外定义的时候，不需要添加friend；
    {
    	os << "hours:" << t.hours << "  " << "mintues:" << t.mintues << "  ";
    	return os;
    }

## main.cpp ##

//-----------------------
    //main.cpp
    //不用先生
    //------------------------
    #include <iostream>
    #include "mytime.h"
    
    using namespace std;
    
    
    int main()
    {
    
    	{
    		Time eat_breakfast(0, 45);
    		Time eat_lunch(1, 0);
    		Time eat_dinner(1, 30);
    
    
    
    		Time swiming(0, 45);                   //非const对象，既可以调用const成员函数，也可以调用非const成员。
    		const Time study(8, 5);                //const对象只能调用const成员函数。
    
    
    		// study_cut_swim;
    		Time study_cut_swim = study - swiming;      //调用运算符重载后的Time类的减号；
    
    
    		Time Eat_time_day = eat_breakfast + eat_dinner + eat_lunch;    //调用了重载以后的加法；
    
    		cout << "学习比游泳多花" << study_cut_swim << endl;           //调用友元输出运算符<<
    		cout << "每周吃饭所花费的时间为" << (7 * Eat_time_day) << endl;  //调用了友元乘法以及输出运算符；
    	}
    
    
    
    	system("pause");
    	return 0;
    }

# 运行结果 #

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已完。。

参考书籍《C++ Primer 第五版》、《C++ Primer Plus 第六版》

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