C++基础——运算符重载友元函数示例

一、前言

　　其实本人学习C++的目的，只是为了体会OOP设计思想，并为利用System Verilog验证复杂设计做准备。如果想要真正做点软件方面项目级的东西，还需要掌握其他高级语言和库、框架等知识。因此该系列博文仅注重语言基础和设计思想。上一篇该系列博文讲述了C++中基本的类封装，这次利用运算符重载友元函数来体会下C++的灵活性。

二、运算符重载友元函数

　 本文同样以《C++ Primer Plus》中的一个简单示例来讲解此内容。场景如下：时间粗劣地分为时和分两部分。需要完成两个时间的相加、时间与倍数的相乘（这个操作不太恰当，凑活看吧）以及显示时间操作。先上代码：

类声明：

 1 #ifndef MYTIME_H_
 2 #define MYTIME_H_
 3 
 4 using std::ostream;
 5 
 6 class Time
 7 {
 8 private:
 9     int hours;
10     int minutes;
11 public:
12     Time();
13     Time(int h,int m=0);
14     void Reset(int h = 0,int m = 0);
15     Time operator+(const Time& t) const;
16     Time operator*(double mult) const;//成员函数
17 
18     friend Time operator*(double m,const Time& t) //友元函数(inline)
19         {return t * m;}
20     friend ostream& operator<<(ostream & os,const Time& t);//<<左侧必须是ostream对象 返回ostream&
21 };
22 #endif

mytime.h

类方法定义：

 1 #include 
 2 #include "mytime.h"
 3 
 4 Time::Time()
 5 {
 6     hours = minutes = 0;
 7 }
 8 
 9 Time::Time(int h,int m)
10 {
11     hours = h;
12     minutes = m;
13 }
14 
15 void Time::Reset(int h,int m)
16 {
17     hours = h;
18     minutes = m;
19 }
20 
21 Time Time::operator+(const Time& t) const
22 {
23     Time sum;
24     sum.minutes = minutes + t.minutes;
25     sum.hours = hours +t.hours +sum.minutes / 60;
26     sum.minutes %= 60;
27     return sum;
28 }
29 
30 Time Time::operator*(double mult) const
31 {
32     Time result;
33     long totalminutes = hours * mult * 60 + minutes * mult;
34     result.hours = totalminutes / 60;
35     result.minutes = totalminutes % 60;
36     return result;
37 }
38 
39 ostream& operator<<(ostream& os,const Time& t)
40 {
41     os << t.hours << " hours, " << t.minutes << " minutes";
42     return os;
43 }

mytime.cpp

　　以上代码的设计原则是：想让Time类对象的相加、与常数相乘以及打印操作与C++内置类型一致。因此+、*、<<三个符号必须进行运算符重载操作，即对此类对象使用这三个运算符时的具体实现细节需重新定义。声明格式为：<返回值类型> operator()。但是这里存在一个问题，成员函数Time operator*(double mult) 在被调用时，类对象必须放置在*符号左侧，也就是说当表达式为m*t(t为Time类对象)时，编译器会报错。使用<<运算符打印Time类对象时同样会遇到此问题。

　　为了实现用户友好，使用没有此限制的友元函数重载运算符是个不错的选择。友元函数是类接口的扩展，这类函数虽然不是类成员函数，但可以访问类私有成员。需要注意的一点是：<<输出数据时，左侧必须是ostream类对象。因此重载<<运算符时，必须使函数返回参数中ostream类对象本身才能正确编译cout << A << B;语句。这条语句与(cout << A) << B;等同。

三、应用程序及结果分析

应用程序示例代码：

 1 #include 
 2 #include "mytime.h"
 3 
 4 using std::endl;
 5 
 6 int main()
 7 {
 8     using std::cout;
 9 
10     Time planning;
11     Time coding(2,40);
12     Time fixing(5,55);
13     Time total;
14     Time adjusted1,adjusted2;
15 
16     cout << "planning time = ";
17     cout << planning << endl;
18 
19     cout << "coding time = ";
20     cout << coding << endl;
21     cout << "fixing time = ";
22     cout << fixing << endl;
23     cout << endl;
24 
25     total = coding + fixing;
26     cout << "coding + fixing = ";
27     cout << total << endl;
28 
29     adjusted1 = total * 1.5;//调用成员函数
30     cout << "total * 1.5 = ";
31     cout << adjusted1 << endl;
32 
33     adjusted2 = 1.5 * total;//调用友元函数
34     cout << "1.5 * total = ";
35     cout << adjusted2 << endl;
36 
37 }

usetime.cpp

　　Time类对象planning创建时隐式调用用户定义默认构造函数，而coding和fixing因有参数传递调用第二个构造函数，这正是C++的多态性质。可以看到，打印Time类对象与打印C++内置类型对象无异。重点关注“*”运算符的使用，adjusted1和adjusted2表达式中乘法运算依次调用了成员函数和友元函数。C++编译器同样会自动识别用户的意图。打印结果如图：

　　应用程序运行正确，重载的两个Time类对象的加法运算和Time类对象与常数的乘法运算结果无误。之后的两篇博客依次讲述动态内存分配与类继承内容，有错误的地方欢迎指正。