C++ 中重載 + 操作符的正確方法

2019-11-17 05:05:25

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供稿：網(wǎng)友

用戶定義的類型，如：字符串，日期，復(fù)數(shù)，聯(lián)合體以及文件經(jīng)常重載二元 + 操作符以實(shí)現(xiàn)對(duì)象的連接，附加或合并機(jī)制。但是要正確實(shí)現(xiàn) + 操作符會(huì)給設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)和性能帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。本文將概要性地介紹如何選擇正確的策略來(lái)為用戶定義類型重載這個(gè)操作符。

考慮如下的表達(dá)式： int x=4+2;

　　內(nèi)建的 + 操作符有兩個(gè)類型相同的操作數(shù)，相加并返回右值 6，然后被賦值給 x。我們可以斷定內(nèi)建的 + 是一個(gè)二元的，對(duì)稱的，可交換的操作符。它產(chǎn)生的結(jié)果的類型與其操作數(shù)類型相同。按照這個(gè)規(guī)測(cè)，當(dāng)你為某個(gè)用戶定義類型重載操作符時(shí)，也應(yīng)該遵循相應(yīng)內(nèi)建操作符的特征。

　　為用戶定義類型重載 + 操作符是很常見的編程任務(wù)。盡管 C++ 提供了幾種實(shí)現(xiàn)方法，但是它們輕易使人產(chǎn)生設(shè)計(jì)上的誤解，這種誤解經(jīng)常影響代碼的正確性，性能以及與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)組件之間的兼容性。
　　下面我們就來(lái)分析內(nèi)建操作符的特征并嘗試模擬其相應(yīng)的重載機(jī)制。

　　第一步：在成員函數(shù)和非成員函數(shù)之間選擇

　　你可以用類成員函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)二元操作符如：+、- 以及 ==，例如：

class String
{
public:
bool Operator==(const String & s); // 比較 *this 和 s
};
　　這個(gè)方法是有問題的。相對(duì)于其內(nèi)建的操作符來(lái)說，重載的操作符在這里不具有對(duì)稱性；它的兩個(gè)參數(shù)一個(gè)類型為：const String * const（這個(gè)參數(shù)是隱含的），另一個(gè)類型為：const String &。因此，一些 STL 算法和容器將無(wú)法正確處理這樣的對(duì)象。

　　另外一個(gè)可選方法是把重載操作符 + 定義為一個(gè)外部（extern）函數(shù)，該函數(shù)帶兩個(gè)類型相同的參數(shù)：

String operator + (const String & s1, const String s2);
　　這樣一來(lái)，類 String 必須將該重載操作符聲明為友元：

class String
{
public:
friend String operator+(const String& s1,const String&s2);
};
　　第二步：返回值的兩難選擇

　　如前所述，內(nèi)建操作符 + 返回右值，其類型與操作數(shù)相同。但是在調(diào)用者堆棧里返回一個(gè)對(duì)象效率很低，處理大型對(duì)象時(shí)尤其如此。那么能不能返回一個(gè)指針或引用呢？答案是不行。因?yàn)榉祷刂羔樒茐膮?shù)類型與返回值類型應(yīng)該相同的規(guī)則。更糟的是，鏈接多個(gè)表達(dá)式將成為不可能：

String s1,s2,s3;
String res;
res=s1+s2+s3; // 不可能用 String* 作為返回值
　　雖然有一個(gè)辦法可以定義額外的 + 操作符重載版本，但這個(gè)辦法是我們不希望用的，因?yàn)榉祷氐闹羔槺仨氈赶騽?dòng)態(tài)分配的對(duì)象。這樣的話，假如調(diào)用者釋放（delete）返回的指針失敗，那么將導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。顯然，返回 String* 不是一個(gè)好主意。

　　那么返回 String& 好不好呢？返回的引用必須一定要是一個(gè)有效的 String。它避免了使用動(dòng)態(tài)對(duì)象分配，該方法返回的是一個(gè)本地靜態(tài)對(duì)象的引用。靜態(tài)對(duì)象確實(shí)解決了內(nèi)存泄漏問題，但這個(gè)方法的可行性仍然值得懷疑。在一個(gè)多線程應(yīng)用中，兩個(gè)線程可能會(huì)并發(fā)調(diào)用 + 操作符，因此造成 String 對(duì)象的混亂。而且，因?yàn)殪o態(tài)對(duì)象總是保留其調(diào)用前的狀態(tài)，所以有必要針對(duì)每次 + 操作符的調(diào)用都清除該靜態(tài) String 對(duì)象。由此看來(lái)，在堆棧上返回結(jié)果仍然是最安全和最簡(jiǎn)單的解決方案。