C++运算符重载函数作为类成员函数和友元函数

全文转自：http://c.biancheng.net/cpp/biancheng/view/217.html

例10.2中对运算符“+”进行了重载，使之能用于两个复数的相加。在该例中运算符重载函数operator+作为Complex类中的成员函数。

可能有的读者会提出这样的问题：”+“是双目运算符，为什么在例10.2程序中的重载函数中只有一个参数呢？实际上，运算符重载函数有两个参数，由于重载函数是Complex类中的成员函数，有一个参数是隐含的，运算符函数是用this指针隐式地访问类对象的成员。可以看到，重载函数operator+访问了两个对象中的成员，一个是this指针指向的对象中的成员，一个是形参对象中的成员。如this->real+c2.real，this->real就是c1.real。上节中已说明，在将运算符函数重载为成员函数后，如果出现含该运算符的表达式，如c1+c2，编译系统把它解释为：
    c1.operator+(c2)
即通过对象c1调用运算符重载函数，并以表达式中第二个参数(运算符右侧的类对象c2)作为函数实参。运算符重载函数的返回值是Complex类型，返回值是复数c1和c2之和(Complex(c1.real + c2.real, c1.imag+c2.imag))。

运算符重载函数除了可以作为类的成员函数外，还可以是非成员函数。可以将例10.2改写为例10.3。

[例10.3] 将运算符“+”重载为适用于复数加法，重载函数不作为成员函数，而放在类外，作为Complex类的友元函数。

1. #include
2. using namespace std;
3. // 注意，该程序在VC 6.0中编译出错，将以上两行替换为 #include 即可顺利通过
4. class Complex
5. {
6. public:
7. Complex( ){real=0;imag=0;}
8. Complex(double r,double i){real=r;imag=i;}
9. friend Complex operator + (Complex &c1,Complex &c2); //重载函数作为友元函数
10. void display( );
11. private:
12. double real;
13. double imag;
14. };
15.  
16. Complex operator + (Complex &c1,Complex &c2) //定义作为友元函数的重载函数
17. {
18. return Complex(c1.real+c2.real, c1.imag+c2.imag);
19. }
20.  
21. void Complex::display( )
22. {
23. cout<<"("<
24. }
25. int main( )
26. {
27. Complex c1(3,4),c2(5,-10),c3;
28. c3=c1+c2;
29. cout<<"c1="; c1.display( );
30. cout<<"c2="; c2.display( );
31. cout<<"c1+c2 ="; c3.display( );
32. }

与例10.2相比较，只作了一处改动，将运算符函数不作为成员函数，而把它放在类外，在Complex类中声明它为友元函数。同时将运算符函数改为有两个参数。在将运算符“+”重载为非成员函数后，C++编译系统将程序中的表达式c1+c2解释为
    operator+(c1, c2)
即执行c1+c2相当于调用以下函数：
    Complex operator + (Complex &c1，Complex &c2)
    {
        return Complex(c1.real+c2.real， c1.imag+c2.imag);
    }
求出两个复数之和。运行结果同例10.2。

为什么把运算符函数作为友元函数呢？因为运算符函数要访问Complex类对象中的成员。如果运算符函数不是Complex类的友元函数，而是一个普通的函数，它是没有权利访问Complex类的私有成员的。

在上节中曾提到过：运算符重载函数可以是类的成员函数，也可以是类的友元函数，还可以是既非类的成员函数也不是友元函数的普通函数。现在分别讨论这3种情况。

首先，只有在极少的情况下才使用既不是类的成员函数也不是友元函数的普通函数，原因是上面提到的，普通函数不能直接访问类的私有成员。

在剩下的两种方式中，什么时候应该用成员函数方式，什么时候应该用友元函数方式？二者有何区别呢？如果将运算符重载函数作为成员函数，它可以通过this指针自由地访问本类的数据成员，因此可以少写一个函数的参数。但必须要求运算表达式第一个参数(即运算符左侧的操作数)是一个类对象，而且与运算符函数的类型相同。因为必须通过类的对象去调用该类的成员函数，而且只有运算符重载函数返回值与该对象同类型，运算结果才有意义。在例10.2中，表达式c1+c2中第一个参数c1是Complex类对象，运算符函数返回值的类型也是Complex，这是正确的。如果c1不是Complex类，它就无法通过隐式this指针访问Complex类的成员了。如果函数返回值不是Complex类复数，显然这种运算是没有实际意义的。

如想将一个复数和一个整数相加，如c1+i，可以将运算符重载函数作为成员函数，如下面的形式：
    Complex Complex∷operator+(int &i)  //运算符重载函数作为Complex类的成员函数
    {
        return Complex(real+i，imag);
    }
注意在表达式中重载的运算符“+”左侧应为Complex类的对象，如：
    c3=c2+i;
不能写成
    c3=i+c2;  //运算符“+”的左侧不是类对象，编译出错
如果出于某种考虑，要求在使用重载运算符时运算符左侧的操作数是整型量(如表达式i+c2，运算符左侧的操作数i是整数)，这时是无法利用前面定义的重载运算符的，因为无法调用i.operator+函数。可想而知，如果运算符左侧的操作数属于C++标准类型(如int)或是一个其他类的对象，则运算符重载函数不能作为成员函数，只能作为非成员函数。如果函数需要访问类的私有成员，则必须声明为友元函数。可以在Complex类中声明：
    friend Complex operator+(int &i，Complex &c); //第一个参数可以不是类对象
在类外定义友元函数：
    Complex operator+(int &i, Complex &c) //运算符重载函数不是成员函数
    {
        return Complex(i+c.real, c.imag);
    }
将双目运算符重载为友元函数时，在函数的形参表列中必须有两个参数，不能省略，形参的顺序任意，不要求第一个参数必须为类对象。但在使用运算符的表达式中，要求运算符左侧的操作数与函数第一个参数对应，运算符右侧的操作数与函数的第二个参数对应。如：
    c3=i+c2;  //正确，类型匹配
    c3=c2+i;  //错误，类型不匹配

请注意，数学上的交换律在此不适用。如果希望适用交换律，则应再重载一次运算符“+”。如
    Complex operator+(Complex &c， int &i) //此时第一个参数为类对象
    {
        return Complex(i+c.real, c.imag);
    }
这样，使用表达式i+c2和c2+i都合法，编译系统会根据表达式的形式选择调用与之匹配的运算符重载函数。可以将以上两个运算符重载函数都作为友元函数，也可以将一个运算符重载函数(运算符左侧为对象名的) 作为成员函数，另一个(运算符左侧不是对象名的)作为友元函数。但不可能将两个都作为成员函数，原因是显然的。

C++规定，有的运算符(如赋值运算符、下标运算符、函数调用运算符)必须定义为类的成员函数，有的运算符则不能定义为类的成员函数(如流插入“<<”和流提取运算符“>>”、类型转换运算符)。

由于友元的使用会破坏类的封装，因此从原则上说，要尽量将运算符函数作为成员函数。但考虑到各方面的因素，一般将单目运算符重载为成员函数，将双目运算符重载为友元函数。在学习了本章第10.7节例10.9的讨论后，读者对此会有更深入的认识。

说明：有的C++编译系统(如Visual C++ 6.0)没有完全实现C++标准，它所提供不带后缀.h的头文件不支持把成员函数重载为友元函数。上面例10.3程序在GCC中能正常运行，而在Visual C++ 6.0中会编译出错。但是Visual C++所提供的老形式的带后缀.h的头文件可以支持此项功能，因此可以将程序头两行修改如下，即可顺利运行：
    #include
以后如遇到类似情况，亦可照此办理。