Что такое перегрузка операторов в c. Основы перегрузки операторов. Оператор размещения new() и оператор delete()

Доброго времени суток!

Желание написать данную статью появилось после прочтения поста , потому что в нём не были раскрыты многие важные темы.

Самое главное, что необходимо помнить - перегрузка операторов, это всего лишь более удобный способ вызова функций, поэтому не стоит увлекаться перегрузкой операторов. Использовать её следует только тогда, когда это упростит написание кода. Но, не настолько, чтобы это затрудняло чтение. Ведь, как известно, код читается намного чаще, чем пишется. И не забывайте, что вам никогда не дадут перегрузить операторы в тандеме со встроенными типами, возможность перегрузки есть только для пользовательских типов/классов.

Синтаксис перегрузки

В большинстве случаев, операторы (кроме условных) возвращают объект, или ссылку на тип, к которому относятся его аргументы (если типы разные, то вы сами решаете как интерпретировать результат вычисления оператора).

Перегрузка унарных операторов

Бинарные операторы

Аргументы и возвращаемые значения

• Если аргумент не изменяется оператором, в случае, например унарного плюса, его нужно передавать как ссылку на константу. Вообще, это справедливо для почти всех арифметических операторов (сложение, вычитание, умножение...)
• Тип возвращаемого значения зависит от сути оператора. Если оператор должен возвращать новое значение, то необходимо создавать новый объект (как в случае бинарного плюса). Если вы хотите запретить изменение объекта как l-value, то нужно возвращать его константным.
• Для операторов присваивания необходимо возвращать ссылку на измененный элемент. Также, если вы хотите использовать оператор присваивания в конструкциях вида (x=y).f(), где функция f() вызывается для для переменной x, после присваивания ей y, то не возвращайте ссылку на константу, возвращайте просто ссылку.
• Логические операторы должны возвращать в худшем случае int, а в лучшем bool.

Оптимизация возвращаемого значения

Особые операторы

Оператор запятая

Оператор разыменования указателя

Оператор присваивания

Как можно заметить, в начале функции производится проверка на самоприсваивание. Вообще, в данном случае самоприсваивание безвредно, но ситуация не всегда такая простая. Например, если объект большой, можно потратить много времени на ненужное копирование, или при работе с указателями.

Неперегружаемые операторы

• Оператор выбора члена класса ".".
• Оператор разыменования указателя на член класса ".*"
• В С++ отсутствует оператор возведения в степень (как в Fortran) "**".
• Запрещено определять свои операторы (возможны проблемы с определением приоритетов).
• Нельзя изменять приоритеты операторов

Почему так? Во-первых, на некоторые операторы изначально наложено ограничение. Вообще, если семантически нет разницы как определять оператор, то лучше его оформить в виде функции класса, чтобы подчеркнуть связь, плюс помимо этого функция будет подставляемой (inline). К тому же, иногда может возникнуть потребность в том, чтобы представить левосторонний операнд объектом другого класса. Наверное, самый яркий пример - переопределение << и >> для потоков ввода/вывода.

Перегрузка операторов в C++. Способы применения

В мы рассмотрели основные аспекты использования перегрузки операторов. В этом материалы вашему вниманию будут представлены перегружаемые операторы C++. Для каждого раздела характерна семантика, т.е. ожидаемое поведение. Кроме того, будут показаны типичные способы объявления и реализации операторов.

В примерах кода X означает пользовательский тип, для которого реализован оператор. T - это необязательный тип, пользовательский либо встроенный. Параметры бинарного оператора будут называться lhs и rhs . Если оператор будет объявлен как метод класса, у его объявления будет префикс X:: .

operator=

• Определение справа налево : в отличие от большинства операторов, operator= правоассоциативен, т.е. a = b = c означает a = (b = c) .

Копирование

• Семантика : присваивание a = b . Значение или состояние b передаётся a . Кроме того, возвращается ссылка на a . Это позволяет создавать цепочки вида c = a = b .
• Типичное объявление : X& X::operator= (X const& rhs) . Возможны другие типы аргументов, но используется это нечасто.
• Типичная реализация : X& X::operator= (X const& rhs) { if (this != &rhs) { //perform element wise copy, or: X tmp(rhs); //copy constructor swap(tmp); } return *this; }

Перемещение (начиная с C++11)

• Семантика : присваивание a = temporary() . Значение или состояние правой величины присваивается a путём перемещения содержимого. Возвращается ссылка на a .
• : X& X::operator= (X&& rhs) { //take the guts from rhs return *this; }
• Сгенерированный компилятором operator= : компилятор может создать только два вида этого оператора. Если же оператор не объявлен в классе, компилятор пытается создать публичные операторы копирования и перемещения. Начиная с C++11 компилятор может создавать оператор по умолчанию: X& X::operator= (X const& rhs) = default;

  Сгенерированный оператор просто копирует/перемещает указанный элемент, если такая операция разрешена.

operator+, -, *, /, %

• Семантика : операции сложения, вычитания, умножения, деления, деления с остатком. Возвращается новый объект с результирующим значением.
• Типичные объявление и реализация : X operator+ (X const lhs, X const rhs) { X tmp(lhs); tmp += rhs; return tmp; }

  Обычно, если существует operator+ , имеет смысл также перегрузить и operator+= для того, чтобы использовать запись a += b вместо a = a + b . Если же operator+= не перегружен, реализация будет выглядеть примерно так:

  X operator+ (X const& lhs, X const& rhs) { // create a new object that represents the sum of lhs and rhs: return lhs.plus(rhs); }

Унарные operator+, –

• Семантика : положительный или отрицательный знак. operator+ обычно ничего не делает и поэтому почти не используется. operator- возвращает аргумент с противоположным знаком.
• Типичные объявление и реализация : X X::operator- () const { return /* a negative copy of *this */; } X X::operator+ () const { return *this; }

operator<<, >>

• Семантика : во встроенных типах операторы используются для битового сдвига левого аргумента. Перегрузка этих операторов с именно такой семантикой встречается редко, на ум приходит лишь std::bitset . Однако, для работы с потоками была введена новая семантика, и перегрузка операторов ввода/вывода весьма распространена.
• Типичные объявление и реализация : поскольку в стандартные классы iostream добавлять методы нельзя, операторы сдвига для определённых вами классов нужно перегружать в виде свободных функций: ostream& operator<< (ostream& os, X const& x) { os << /* the formatted data of rhs you want to print */; return os; } istream& operator>> (istream& is, X& x) { SomeData sd; SomeMoreData smd; if (is >> sd >> smd) { rhs.setSomeData(sd); rhs.setSomeMoreData(smd); } return lhs; }

  Кроме того, тип левого операнда может быть любым классом, которые должен вести себя как объект ввода/вывода, то есть правый операнд может быть и встроенного типа.

  MyIO& MyIO::operator<< (int rhs) { doYourThingWith(rhs); return *this; }

Бинарные operator&, |, ^

• Семантика : Битовые операции “и”, “или”, “исключающее или”. Эти операторы перегружаются очень редко. Опять же, единственным примером является std::bitset .

operator+=, -=, *=, /=, %=

• Семантика : a += b обычно означает то же, что и a = a + b . Поведение остальных операторов аналогично.
• Типичные определение и реализация : поскольку операция изменяет левый операнд, скрытое приведение типов нежелательно. Поэтому эти операторы должны быть перегружены как методы класса. X& X::operator+= (X const& rhs) { //apply changes to *this return *this; }

operator&=, |=, ^=, <<=, >>=

• Семантика : аналогична operator+= , но для логических операций. Эти операторы перегружаются так же редко, как и operator| и т.д. operator<<= и operator>>= не используются для операций ввода/вывода, поскольку operator<< и operator>> уже изменяют левый аргумент.

operator==, !=

• Семантика : проверка на равенство/неравенство. Смысл равенства очень сильно зависит от класса. В любом случае, учитывайте следующие свойства равенств:
  1. Рефлексивность, т.е. a == a .
  2. Симметричность, т.е. если a == b , то b == a .
  3. Транзитивность, т.е. если a == b и b == c , то a == c .
• Типичные объявление и реализация : bool operator== (X const& lhs, X cosnt& rhs) { return /* check for whatever means equality */ } bool operator!= (X const& lhs, X const& rhs) { return !(lhs == rhs); }

  Вторая реализация operator!= позволяет избежать повторов кода и исключает любую возможную неопределённость в отношении любых двух объектов.

operator<, <=, >, >=

• Семантика : проверка на соотношение (больше, меньше и т.д.). Обычно используется, если порядок элементов однозначно определён, то есть сложные объекты с несколькими характеристиками сравнивать бессмысленно.
• Типичные объявление и реализация : bool operator< (X const& lhs, X const& rhs) { return /* compare whatever defines the order */ } bool operator> (X const& lhs, X const& rhs) { return rhs < lhs; }

  Реализация operator> с использованием operator< или наоборот обеспечивает однозначное определение. operator<= может быть реализован по-разному, в зависимости от ситуации . В частности, при отношении строго порядка operator== можно реализовать лишь через operator< :

  Bool operator== (X const& lhs, X const& rhs) { return !(lhs < rhs) && !(rhs < lhs); }

operator++, –

• Семантика : a++ (постинкремент) увеличивает значение на 1 и возвращает старое значение. ++a (преинкремент) возвращает новое значение. С декрементом operator-- все аналогично.
• Типичные объявление и реализация : X& X::operator++() { //preincrement /* somehow increment, e.g. *this += 1*/; return *this; } X X::operator++(int) { //postincrement X oldValue(*this); ++(*this); return oldValue; }

operator()

• Семантика : исполнение объекта-функции (функтора). Обычно используется не для изменения объекта, а для использования его в качестве функции.
• Нет ограничений на параметры : в отличие от прошлых операторов, в этом случае нет никаких ограничений на количество и тип параметров. Оператор может быть перегружен только как метод класса.
• Пример объявления : Foo X::operator() (Bar br, Baz const& bz);

operator

• Семантика : доступ к элементам массива или контейнера, например, в std::vector , std::map , std::array .
• Объявление : тип параметра может быть любым. Тип возвращаемого значения обычно является ссылкой на то, что хранится в контейнере. Часто оператор перегружается в двух версиях, константной и неконстантной: Element_t& X::operator(Index_t const& index); const Element_t& X::operator(Index_t const& index) const;

operator!

• Семантика : отрицание в логическом смысле.
• Типичные объявление и реализация : bool X::operator!() const { return !/*some evaluation of *this*/; }

explicit operator bool

• Семантика : использования в логическом контексте. Чаще всего используется с умными указателями.
• Реализация : explicit X::operator bool() const { return /* if this is true or false */; }

operator&&, ||

• Семантика : логические “и”, “или”. Эти операторы определены только для встроенного логического типа и работают по “ленивому” принципу, то есть второй аргумент рассматривается, только если первый не определяет результат. При перегрузке это свойство теряется, поэтому перегружают эти операторы редко.

Унарный operator*

• Семантика : разыменовывание указателя. Обычно перегружается для классов с умными указателями и итераторами. Возвращает ссылку на то, куда указывает объект.
• Типичные объявление и реализация : T& X::operator*() const { return *_ptr; }

operator->

• Семантика : доступ к полю по указателю. Как и предыдущий, этот оператор перегружается для использования с умными указателями и итераторами. Если в коде встречается оператор -> , компилятор перенаправляет вызовы на operator-> , если возвращается результат пользовательского типа.
• Usual implementation : T* X::operator->() const { return _ptr; }

operator->*

• Семантика : доступ к указателю-на-поле по указателю. Оператор берёт указатель на поле и применяет его к тому, на что указывает *this , то есть objPtr->*memPtr - это то же самое, что и (*objPtr).*memPtr . Используется очень редко.
• Возможная реализация : template T& X::operator->*(T V::* memptr) { return (operator*()).*memptr; }

  Здесь X - это умный указатель, V - тип, на который указывает X , а T - тип, на который указывает указатель-на-поле. Неудивительно, что этот оператор редко перегружают.

Унарный operator&

• Семантика : адресный оператор. Этот оператор перегружают очень редко.

operator,

• Семантика : встроенный оператор “запятая”, применённый к двум выражениям, выполняет их оба в порядке записи и возвращает значение второго из них. Перегружать его не рекомендуется.

operator~

• Семантика : оператор побитовой инверсии. Один из наиболее редко используемых операторов.

Операторы приведения типов

• Семантика : позволяет скрытое или явное приведение объектов класса к другим типам.
• Объявление : //conversion to T, explicit or implicit X::operator T() const; //explicit conversion to U const& explicit X::operator U const&() const; //conversion to V& V& X::operator V&();

  Эти объявления выглядят странно, поскольку в них отсутствует тип возвращаемого значения. Он является частью имени оператора у не указывается дважды. Стоит помнить, что большое количество скрытых приведений может повлечь за собой непредвиденные ошибки в работе программы.

operator new, new, delete, delete

Эти операторы полностью отличаются от всех вышеупомянутых, поскольку они не работают с пользовательскими типами. Их перегрузка весьма сложна, и поэтому не будет здесь рассматриваться.

Заключение

Основной мыслью является следующее: не стоит перегружать операторы только потому, что вы умеете это делать. Перегружайте их лишь в тех случаях, когда это выглядит естественным и необходимым. Но помните, что если вы перегрузите один оператор, то придётся перегружать и другие.

Минимальный оператор присваивания - это

Void Cls::operator=(Cls other) { swap(*this, other); }

Согласно стандарту, это копирующий оператор присваивания.
Однако он также может выполнять перемещение, если у Cls есть перемещающий конструктор:

Cls a, b; a = std::move(b); // Работает как // Cls other(std::move(b)); a.operator=(other); // ^^^^^^^^^^ // перемещение: вызов Cls::Cls(Cls&&)

После обмена (swap) текущие члены класса оказываются во временном объекте other и удаляются при выходе из оператора присваивания.
При копирующем присваивании самому себе будет сделана лишняя копия, но никаких ошибок не будет.

Тип результата может быть любым.
Автоматически сгенерированный оператор присваивания имеет тип возвращаемого значения Cls& и возвращает *this . Это позволяет писать код вида a = b = c или (a = b) > c .
Но многие соглашения по стилю кода такое не одобряют, в частности см. CppCoreGuidelines ES.expr "Avoid complicated expressions" .

Для работы этого оператора присваивания нужны конструкторы копирования/перемещения и функция обмена (swap).
Вместе это выглядит так:

Class Cls { public: Cls() {} // Конструктор копирования Cls(const Cls& other) : x(other.x), y(other.y) {} // Конструктор перемещения Cls(Cls&& other) noexcept { swap(*this, other); } // Оператор присваивания void operator=(Cls other) noexcept { swap(*this, other); } // Обмен friend void swap(Cls& a, Cls& b) noexcept { using std::swap; // Добавление стандартной функции в список перегрузок... swap(a.x, b.x); // ... и вызов с использованием поиска по типам аргументов (ADL). swap(a.y, b.y); } private: X x; Y y; };

Конструктор копирования копирует каждый член класса.

Конструктор перемещения конструирует пустые члены класса, и затем обменивает их со своим аргуменом. Можно перемещать каждый член по отдельности, но удобнее использовать swap .

Функция swap может быть свободной функцией-другом. Многие алгоритмы ожидают наличие свободной функции swap , и вызывают ее через поиск по типу аргументов (ADL).
Раньше рекомендовалось также писать метод swap , чтобы можно было писать f().swap(x); , но с появлением семантики перемещения это стало не нужно.

Если функции не могут бросать исключений, то они должны быть помечены как noexcept . Это нужно для std::move_if_noexcept и других функций, которые могут использовать более эффективный код, если присваивание или конструктор не бросает исключений. Для такого класса выдают

Std::is_nothrow_copy_constructible == 0 std::is_nothrow_move_constructible == 1 std::is_nothrow_copy_assignable == 0 std::is_nothrow_move_assignable == 1

Хотя оператор присваивания и помечен как noexcept , при его вызове с аргументом const Cls& произойдет копирование, которое может бросить исключение. По этому is_nothrow_copy_assignable возвращает false .

В любой науке есть стандартные обозначения, которые облегчают понимание идей. Например, в математике это умножение, деление, сложение и прочие символьные обозначения. Выражение (x + y * z) понять куда проще, чем «умножить y, с, z и прибавить к x». Представьте, до XVI века математика не имела символьных обозначений, все выражения прописывались словесно так, будто бы это художественный текст с описанием. А привычные для нас обозначения операций появились и того позже. Значение краткой символьной записи сложно переоценить. Исходя из таких соображений, в языки программирования были добавлены перегрузки операторов. Рассмотрим на примере.

Пример перегрузки операторов

Практически как и любой язык, C++ поддерживает множество операторов, работающих с типами данных, встроенными в стандарт языка. Но большинство программ используют пользовательские типы для решения тех или иных задач. Например, комплексная математика или реализуются в программе за счет представления комплексных чисел или матриц в виде пользовательских типов C++. Встроенные операторы не умеют распространять свою работу и совершать необходимые процедуры над пользовательскими классами, какими бы очевидными они не казались. Поэтому для сложения матриц, например, обычно создается отдельная функция. Очевидно, что вызов функции sum_matrix (A, B) в коде будет носить менее ясный характер, чем выражение A + B.

Рассмотрим примерный класс комплексных чисел:

//представим комплексное число в виде пары чисел с плавающей точкой. class complex { double re, im; public: complex (double r, double i) :re(r), im(i) {} //конструктор complex operator+(complex); //перегрузка сложения complex operator*(complex); //перегрузка умножения }; void main() { complex a{ 1, 2 }, b{ 3, 4 }, c{0, 0}; c = a + b; c = a.operator+(b); ////операторная функция может быть вызвана как любая функция, данная запись эквивалентна a+b c = a*b + complex(1, 3); //Выполняются обычные правила приоритета операций сложения и умножения }

Аналогичным образом можно сделать, например, перегрузку операторов ввода/вывода в C++ и приспособить их для вывода таких сложных структур как матрицы.

Операторы, доступные для перегрузки

Полный список всех операторов, для которых можно использовать механизм перегрузки:

Как видно из таблицы, перегрузка допустима для большинства операторов языка. Необходимости в перегрузке оператора быть не может. Это делается исключительно для удобства. Поэтому перегрузка операторов в Java, например, отсутствует. А теперь о следующем важном моменте.

Операторы, перегрузка которых запрещена

• Разрешение области видимости - «::»;
• Выбор члена - «.»;
• Выбор члена через указатель на член - «.*»;
• Тернарный условный оператор - «?:»;
• Оператор sizeof;
• Оператор typeid.

Правым операндом данных операторов является имя, а не значение. Поэтому разрешение их перегрузки могло бы привести к написанию множества неоднозначных конструкций и сильно усложнило бы жизнь программистов. Хотя есть множество языков программирования, в которых допускается перегрузка всех операторов - например, перегрузка

Ограничения

Ограничения перегрузки операторов:

• Нельзя изменить бинарный оператор на унарный и наоборот, как и нельзя добавить третий операнд.
• Нельзя создавать новые операторы помимо тех, что имеются. Данное ограничение способствует устранению множества неоднозначностей. Если есть необходимость в новом операторе, можно использовать для этих целей функцию, которая будет выполнять требуемое действие.
• Операторная функция может быть либо членом класса, либо иметь хотя бы один аргумент пользовательского типа. Исключением являются операторы new и delete. Такое правило запрещает изменять смысл выражений в случае, если они не содержат объектов типов, определенных пользователем. В частности, нельзя создать операторную функцию, которая работала бы исключительно с указателями или заставить оператор сложения работать как умножение. Исключением являются операторы "=", "&" и "," для объектов классов.
• Операторная функция с первым членом, принадлежащим к одному из встроенных типов данных языка C++, не может быть членом класса.
• Название любой операторной функции начинается с ключевого слова operator, за которым следует символьное обозначение самого оператора.
• Встроенные операторы определены таким образом, что между ними бывает связь. Например, следующие операторы эквивалентны друг другу: ++x; x + = 1; x = x + 1. После переопределения связь между ними не сохранится. О сохранении их совместной работы подобным образом с новыми типами программисту придется заботиться отдельно.
• Компилятор не умеет думать. Выражения z + 5 и 5 +z (где z - комплексное число) будут рассматриваться компилятором по-разному. Первое представляет собой «complex + число», а второе - «число + комплекс». Поэтому для каждого выражения нужно определить собственный оператор сложения.
• При поиске определения оператора компилятор не отдает преимущества ни функциям-членам класса, ни вспомогательным функциям, которые определяются вне класса. Для компилятора они равны.

Интерпретации бинарных и унарных операторов.

Бинарный оператор определяется как функция-член с одной переменной или как функция с двумя переменными. Для любого бинарного оператора @ в выражение a@b, @ справедливы конструкции:

a.operator@(b) или operator@(a, b).

Рассмотрим на примере класса комплексных чисел определение операций как членов класса и вспомогательных.

Class complex { double re, im; public: complex& operator+=(complex z); complex& operator*=(complex z); }; //вспомогательные функции complex operator+(complex z1, complex z2); complex operator+(complex z, double a);

Какой из операторов будет выбран, и будет ли вообще выбран, определяется внутренними механизмами языка, о которых речь пойдет ниже. Обычно это происходит по соответствию типов.

Выбор, описывать функцию как член класса или вне его - дело, в общем-то, вкуса. В примере выше принцип отбора был следующий: если операция изменяет левый операнд (например, a + = b), то записать ее внутри класса и использовать передачу переменной по адресу, для ее непосредственного изменения; если операция ничего не меняет и просто возвращает новое значение (например, a + b) - вынести за рамки определения класса.

Определение перегрузки унарных операторов в C++ происходит аналогичным образом, с той разницей, что они делятся на два вида:

• префиксный оператор, расположенный до операнда, - @a, например, ++i. o определяется как a.operator@() или operator@(aa);
• постфиксный оператор, расположенный после операнда, - b@, например, i++. o определяется как b.operator@(int) или operator@(b, int)

Точно так же, как и с бинарными операторами для случая, когда объявление оператора находится и в классе, и вне класса, выбор будет осуществляться механизмами C++.

Правила выбора оператора

Пусть бинарный оператор @ применяется к объектам x из класса X и y из класса Y. Правила для разрешения x@y будут следующие:

1. если X представляет собой класс, искать внутри него определение оператора operator@ в качестве члена X, либо базового класса X;
2. просмотреть контекст, в котором находится выражение x@y;
3. если X относится к пространству имен N, искать объявление оператора в N;
4. если Y относится к пространству имен M, искать объявление оператора в M.

В случае если в 1-4 было найдено несколько объявлений оператора operator@, выбор будет осуществляться по правилам разрешения перегруженных функций.

Поиск объявлений унарных операторов происходит точно таким же способом.

Уточненное определение класса complex

Теперь построим класс комплексных чисел более подробным образом, чтобы продемонстрировать ряд озвученных ранее правил.

Class complex { double re, im; public: complex& operator+=(complex z) { //работает с выражениями вида z1 += z2 re += z.re; im += z.im; return *this; } complex& operator+=(double a) { //работает с выражениями вида z1 += 5; re += a; return *this; } complex (): re(0), im(0) {} //конструктор для инициализации по умолчанию. Таким образом, все объявленные комплексные числа будут иметь начальные значения (0, 0) complex (double r): re(r), im(0) {} // конструктор делает возможным выражение вида complex z = 11; эквивалентная запись z = complex(11); complex (double r, double i): re(r), im(i) {} //конструктор }; complex operator+(complex z1, complex z2) { //работает с выражениями вида z1 + z2 complex res = z1; return res += z2; //использование оператора, определенного как функция-член } complex operator+(complex z, double a) { //обрабатывает выражения вида z+2 complex res = z; return res += a; } complex operator+(double a, complex z) { //обрабатывает выражения вида 7+z complex res = z; return res += a; } //…

Как видно из кода, перегрузка операторов имеет весьма сложный механизм, который может сильно разрастись. Однако такой детальный подход позволяет осуществлять перегрузку даже для очень сложных структур данных. Например, перегрузка операторов C++ в классе шаблонов.

Подобное создание функций для всех и вся может быть утомительным и приводить к ошибкам. Например, если добавить третий тип в рассмотренные функции, то нужно будет рассмотреть операции из соображений сочетания трех типов. Придется написать 3 функции с одним аргументом, 9 - с двумя и 27 - с тремя. Поэтому в ряде случаев реализация всех этих функций и значительное уменьшение их количества могут быть достигнуты за счет использования преобразования типов.

Особые операторы

Оператор индексации«» должен всегда определяться как член класса, так как сводит поведение объекта к массиву. При этом аргумент индексирования может быть любого типа, что позволяет создавать, например, ассоциативные массивы.

Оператор вызова функции «()» может рассматриваться как бинарная операция. Например, в конструкции «выражение(список выражений)» левым операндом бинарной операции () будет «выражение», а правым - список выражений. Функция operator()() должна быть членом класса.

Оператор последовательности «,» (запятая) вызывается для объектов, если рядом с ними есть запятая. Однако в перечислении аргументов функции оператор не участвует.

Оператор разыменования «->» также должен определяться в качестве члена функции. По своему смыслу его можно определить как унарный постфиксный оператор. При этом он в обязательном порядке должен возвращать либо ссылку, либо указатель, позволяющий обращаться к объекту.

Также определяется только в качестве члена класса из-за его связи с левым операндом.

Операторы присваивания «=», адреса «&» и последовательности «,» должны определяться в блоке public.

Итог

Перегрузка операторов помогает реализовать один из ключевых аспектов ООП о полиморфизме. Но важно понимать, что перегрузка - это не более чем иной способ вызова функций. Задача перегрузки операторов часто заключается в улучшении понимания кода, нежели в обеспечении выигрыша в каких-то вопросах.

И это еще не все. Также следует учитывать, что перегрузка операторов представляет собой сложный механизм с множеством подводных камней. Поэтому очень легко допустить ошибку. Это является основной причиной, по которой большинство программистов советуют воздержаться от использования перегрузки операторов и прибегать к ней только в крайнем случае и с полной уверенностью в своих действиях.

1. Выполняйте перегрузку операторов только для имитации привычной записи. Для того чтобы сделать код более удобочитаемым. Если код становится сложнее по структуре или читабельности, следует отказаться от перегрузки операторов и использовать функции.
2. Для больших операндов с целью экономии места используйте для передачи аргументы с типом константных ссылок.
3. Оптимизируйте возвращаемые значения.
4. Не трогайте операцию копирования, если она подходит для вашего класса.
5. Если копирование по умолчанию не подходит, меняйте или явно запрещайте возможность копирования.
6. Следует предпочитать функции-члены над функциями-нечленами в случаях, когда функции требуется доступ к представлению класса.
7. Указывайте пространство имен и обозначайте связь функций с их классом.
8. Используйте функции-нечлены для симметричных операторов.
9. Используйте оператор () для индексов в многомерных массивах.
10. С осторожностью используйте неявные преобразования.

Доброго времени суток, уважаемые читатели!

Когда я только начал свой путь по изучению C++, у меня возникало много вопросов, на которые, порой, не удавалось быстро найти ответов. Не стала исключением и такая тема как перегрузка операторов. Теперь, когда я разобрался в этой теме, я хочу помочь другим расставить все точки над i .

В этой публикации я расскажу: о различных тонкостях перегрузки операторов, зачем вообще нужна эта перегрузка, о типах операторов (унарные/бинарные), о перегрузке оператора с friend (дружественная функция), а так же о типах принимаемых и возвращаемых перегрузками значений.

Для чего нужна перегрузка?

Предположим, что вы создаете свой класс или структуру, пусть он будет описывать вектор в 3-х мерном пространстве:

Struct Vector3 { int x, y, z; Vector3() {} Vector3(int x, int y, int z) : x(x), y(y), z(z) {} };

Теперь, Вы создаете 3 объекта этой структуры:

Vector3 v1, v2, v3; //Инициализация v1(10, 10, 10); //...

И хотите прировнять объект v2 объекту v1, пишете:

V1 = v2;

Все работает, но пример с вектором очень сильно упрощен, может быть у вас такая структура, в которой необходимо не слепо копировать все значения из одного объекта в другой (как это происходит по умолчанию), а производить с ними некие манипуляции. К примеру, не копировать последнюю переменную z. Откуда программа об этом узнает? Ей нужны четкие команды, которые она будет выполнять.

Поэтому нам необходимо перегрузить оператор присваивания (=).

Общие сведения о перегрузке операторов

Для этого добавим в нашу структуру перегрузку:

Vector3 operator = (Vector3 v1) { return Vector3(this->x = v1.x, this->y = v1.y, this->z = 0); }

Теперь, в коде выше мы указали, что при присваивании необходимо скопировать переменные x и y , а z обнулить.

Но такая перегрузка далека от совершенства, давайте представим, что наша структура содержит в себе не 3 переменные типа int, а множество объектов других классов, в таком случае этот вариант перегрузки будет работать довольно медленно.

• Первое, что мы можем сделать, это передавать в метод перегрузки не весь объект целиком, а ссылку на то место, где он хранится: //Передача объекта по ссылке (&v1) Vector3 operator = (Vector3 &v1) { return Vector3(this->x = v1.x, this->y = v1.y, this->z = 0); }

  Когда мы передаем объект не по ссылке , то по сути создается новый объект (копия того, который передается в метод), что может нести за собой определенные издержки как по времени выполнения программы, так и по потребляемой ей памяти. - Применительно к большим объектам.
  Передавая объект по ссылке , не происходит выделения памяти под сам объект (предположим, 128 байт) и операции копирования, память выделяется лишь под указатель на ячейку памяти, с которой мы работаем, а это около 4 - 8 байт. Таким образом, получается работа с объектом на прямую.

• Но, если мы передаем объект по ссылке, то он становится изменяемым . То есть ничто не помешает нам при операции присваивания (v1 = v2) изменять не только значение v1, но еще и v2!
  Пример: //Изменение передаваемого объекта Vector3 operator = (Vector3 &v) { //Меняем объект, который справа от знака = v.x = 10; v.y = 50; //Возвращаем значение для объекта слева от знака = return Vector3(this->x = v.x, this->y = v.y, this->z = 0); }

  Разумеется, вряд ли кто-то в здравом уме станет производить такие не очевидные манипуляции. Но все же, не помешает исключить даже вероятность такого изменения.
  Для этого нам всего-лишь нужно добавить const перед принимаемым аргументом, таким образом мы укажем, что изнутри метода нельзя изменить этот объект.

  //Запрет изменения передаваемого объекта Vector3 operator = (const Vector3 &v) { //Не получится изменить объект, который справа от знака = //v.x = 10; v.y = 50; //Возвращаем значение для объекта слева от знака = return Vector3(this->x = v.x, this->y = v.y, this->z = 0); }

• Теперь, давайте обратим наши взоры на тип возвращаемого значения . Метод перегрузки возвращает объект Vector3, то есть создается новый объект, что может приводить к таким же проблемам, которые я описал в самом первом пункте. И решение не будет отличаться оригинальностью, нам не нужно создавать новый объект - значит просто передаем ссылку на уже существующий. //Возвращается не объект, а ссылка на объект Vector3& operator = (const Vector3 &v) { return Vector3(this->x = v.x, this->y = v.y, this->z = 0); }

  Небольшое отступление о return:
  Когда я изучал перегрузки, то не понимал:

  //Зачем писать this->x = ... (что может приводить к ошибкам в бинарных операторах) return Vector3(this->x = v.x, this->y = v.y, this->z = 0); //Если мы все равно возвращаем объект с модифицированными данными? //Почему такая запись не будет работать? (Применительно к унарным операторам) return Vector3(v.x, v.y, 0);

  Дело в том, что все операции мы должны самостоятельно и явно указать в теле метода. Что значит, написать: this->x = v.x и т.д.
  Но для чего тогда return, что мы возвращаем? На самом деле return в этом примере играет достаточно формальную роль, мы вполне можем обойтись и без него:

  //Возвращается void (ничего) void operator = (const Vector3 &v1) { this->x = v1.x, this->y = v1.y, this->z = 0; }

  И такой код вполне себе работает. Т.к. все, что нужно сделать, мы указываем в теле метода.
  Но в таком случае у нас не получится сделать такую запись:

  V1 = (v2 = v3); //Пример для void operator + //v1 = void? - Нельзя v1 = (v2 + v3);

  Т.к. ничего не возвращается, нельзя выполнить и присваивание.
  Либо же в случае со ссылкой , что получается аналогично void, возвращается ссылка на временный объект, который уже не будет существовать в момент его использования (сотрется после выполнения метода).
  Получается, что лучше возвращать объект а не ссылку? Не все так однозначно, и выбирать тип возвращаемого значения (объект или ссылка) необходимо в каждом конкретном случае. Но для большинства небольших объектов - лучше возвращать сам объект, чтобы мы имели возможность дальнейшей работы с результатом.

  Отступление 2 (как делать не нужно):
  Теперь, зная о разнице операции return и непосредственного выполнения операции, мы можем написать такой код:

  V1(10, 10, 10); v2(15, 15, 15); v3; v3 = (v1 + v2); cout << v1; // Не (10, 10, 10), а (12, 13, 14) cout << v2; // Не (15, 15, 15), а (50, 50, 50) cout << v3; // Не (25, 25, 25), а также, что угодно

  Для того, что бы реализовать этот ужас мы определим перегрузку таким образом:

  Vector3 operator + (Vector3 &v1, Vector3 &v2) { v1.x += 2, v1.y += 13, v1.z += 4; v2(50, 50, 50); return Vector3(/*также, что угодно*/); }

• И когда мы перегружаем оператор присваивания, остается необходимость исключить попеременное присваивание в том редком случае, когда по какой-то причине объект присваивается сам себе: v1 = v1.
  Для этого добавим такое условие: Vector3 operator = (const Vector3 &v1) { //Если попытка сделать объект равным себе же, просто возвращаем указатель на него //(или можно выдать предупреждение/исключение) if (&v1 == this) return *this; return Vector3(this->x = v1.x, this->y = v1.y, this->z = v1.z); }

Отличия унарных и бинарных операторов

Унарные операторы - это такие операторы, где задействуется только один объект, к которому и применяются все изменения

Vector3 operator + (const Vector3 &v1); // Унарный плюс Vector3 operator - (const Vector3 &v1); // Унарный минус //А так же: //++, --, !, ~, , *, &, (), (type), new, delete

Бинарные операторы - работают с 2-я объектами

Vector3 operator + (const Vector3 &v1, const Vector3 &v2); //Сложение - это НЕ унарный плюс! Vector3 operator - (const Vector3 &v1, const Vector3 &v2); //Вычитание - это НЕ унарный минус! //А так же: //*, /, %, ==, !=, >, <, >=, <=, &&, ||, &, |, ^, <<, >>, +=, -=, *=, /=, %=, &=, |=, ^=, <<=, >>=, ->, ->*, (,), ","

Перегрузка в теле и за телом класса

Мы можем объявить и реализовать перегрузку непосредственно в самом теле класса или структуры. Думаю, что как это сделать уже понятно. Давайте рассмотрим вариант, в котором объявление перегрузки происходит в теле класса, а ее реализация уже за пределами класса.

Struct Vector3 { //Данные, конструкторы, ... //Объявляем о том, что в данной структуре перегружен оператор = Vector3 operator = (Vector3 &v1); }; //Реализуем перегрузку за пределами тела структуры //Для этого добавляем "Vector3::", что указывает на то, членом какой структуры является перегружаемый оператор //Первая надпись Vector3 - это тип возвращаемого значения Vector3 Vector3::operator = (Vector3 &v1); { return Vector3(this->x = v1.x, this->y = v1.y, this->z = 0); }

Зачем в перегрузке операторов дружественные функции (friend)?

Дружественные функции - это такие функции которые имеют доступ к приватным методам класса или структуры.
Предположим, что в нашей структуре Vector3, такие члены как x,y,z - являются приватными, тогда мы не сможем обратиться к ним за пределами тела структуры. Здесь то и помогают дружественные функции.
Единственное изменение, которое нам необходимо внести, - это добавить ключевое слово fried перед объявлением перегрузки:

Struct Vector3 { friend Vector3 operator = (Vector3 &v1); }; //За телом структуры пишем реализацию

Когда не обойтись без дружественных функций в перегрузке операторов?

1) Когда мы реализуем интерфейс (.h файл) в который помещаются только объявления методов, а реализация выносится в скрытый.dll файл
2) Когда операция производится над объектами разных классов. Пример:

Struct Vector2 { //Складываем Vector2 и Vector3 Vector2 operator + (Vector3 v3) {/*...*/} } //Объекту Vector2 присваиваем сумму объектов Vector2 и Vector3 vec2 = vec2 + vec3; //Ok vec2 = vec3 + vec2; //Ошибка

Ошибка произойдет по следующей причине, в структуре Vector2 мы перегрузили оператор +, который в качестве значения справа принимает тип Vector3, поэтому первый вариант работает. Но во втором случае, необходимо писать перегрузку уже для структуры Vector3, а не 2. Чтобы не лезть в реализацию класса Vector3, мы можем написать такую дружественную функцию:

Struct Vector2 { //Складываем Vector2 и Vector3 Vector2 operator + (Vector3 v3) {/*...*/} //Дружественность необходима для того, чтобы мы имели доступ к приватным членам класса Vector3 friend Vector2 operator + (Vector3 v3, Vector2 v2) {/*...*/} } vec2 = vec2 + vec3; //Ok vec2 = vec3 + vec2; //Ok

Примеры перегрузок различных операторов с некоторыми пояснениями

Пример перегрузки для бинарных +, -, *, /, %

Vector3 operator + (const Vector3 &v1, const Vector3 &v2) { return Vector3(v1.x + v2.x, v1.y + v2.y, v1.z + v2.z); }

Пример перегрузки для постфиксных форм инкремента и декремента (var++, var-- )

Vector3 Vector3::operator ++ (int) { return Vector3(this->x++, this->y++, this->z++); }

Пример перегрузки для префиксных форм инкремента и декремента (++var, --var )

Vector3 Vector3::operator ++ () { return Vector3(++this->x, ++this->y, ++this->z); }

Перегрузка арифметических операций с объектами других классов

Vector3 operator * (const Vector3 &v1, const int i) { return Vector3(v1.x * i, v1.y * i, v1.z * i); }

Перегрузка унарного плюса (+)

//Ничего не делает, просто возвращаем объект Vector3 operator + (const Vector3 &v) { return v; }

Перегрузка унарного минуса (-)

//Умножает объект на -1 Vector3 operator - (const Vector3 &v) { return Vector3(v.x * -1, v.y * -1, v.z * -1); }

Пример перегрузки операций составного присваивания +=, -=, *=, /=, %=

Vector3 operator += (const Vector3 &v1, const Vector3 &v2) { return Vector3(v1.x = v1.x + v2.x, v1.y = v1.y + v2.y, v1.z = v1.z + v2.z); }

Хороший пример перегрузки операторов сравнения ==, !=, >, <, >=, <=

Const bool operator < (const Vector3 &v1, const Vector3 &v2) { double vTemp1(sqrt(pow(v1.x, 2) + pow(v1.y, 2) + pow(v1.z, 2))); double vTemp2(sqrt(pow(v2.x, 2) + pow(v2.y, 2) + pow(v2.z, 2))); return vTemp1 < vTemp2; } const bool operator == (const Vector3 &v1, const Vector3 &v2) { if ((v1.x == v2.x) && (v1.y == v2.y) && (v1.z == v2.z)) return true; return false; } //Перегружаем!= используя другой перегруженный оператор const bool operator != (const Vector3 &v1, const Vector3 &v2) { return !(v1 == v2); }

Пример перегрузки операций приведения типов (type)

//Если вектор не нулевой - вернуть true Vector3::operator bool() { if (*this != Vector3(0, 0, 0)) return true; return false; } //При приведении к типу int - возвращать сумму всех переменных Vector3::operator int() { return int(this->x + this->y + this->z); }

Пример перегрузки логических операторов!, &&, ||

//Опять же, используем уже перегруженную операцию приведения типа к bool const bool operator ! (Vector3 &v1) { return !(bool)v1; } const bool operator && (Vector3 &v1, Vector3 &v2) { return (bool)v1 && (bool)v2; }

Пример перегрузки побитовых операторов ~, &, |, ^, <<, >>

//Операция побитовой инверсии (как умножение на -1, только немного иначе) const Vector3 operator ~ (Vector3 &v1) { return Vector3(~(v1.x), ~(v1.y), ~(v1.z)); } const Vector3 operator & (const Vector3 &v1, const Vector3 &v2) { return Vector3(v1.x & v2.x, v1.y & v2.y, v1.z & v2.z); } //Побитовое исключающее ИЛИ (xor) const Vector3 operator ^ (const Vector3 &v1, const Vector3 &v2) { return Vector3(v1.x ^ v2.x, v1.y ^ v2.y, v1.z ^ v2.z); } //Перегрузка операции вывода в поток ostream& operator << (ostream &s, const Vector3 &v) { s << "(" << v.x << ", " << v.y << ", " << v.z << ")"; return s; } //Перегрузка операции ввода из потока (очень удобный вариант) istream& operator >> (istream &s, Vector3 &v) { std::cout << "Введите Vector3.nX:"; std::cin >> v.x; std::cout << "nY:"; std::cin >> v.y; std::cout << "nZ:"; std::cin >> v.z; std::cout << endl; return s; }

Пример перегрузки побитного составного присваивания &=, |=, ^=, <<=, >>=

Vector3 operator ^= (Vector3 &v1, Vector3 &v2) { v1(Vector3(v1.x = v1.x ^ v2.x, v1.y = v1.y ^ v2.y, v1.z = v1.z ^ v2.z)); return v1; } //Предварительно очищаем поток ostream& operator <<= (ostream &s, Vector3 &v) { s.clear(); s << "(" << v.x << ", " << v.y << ", " << v.z << ")"; return s; }

Пример перегрузки операторов работы с указателями и членами класса , (), *, &, ->, ->*
Не вижу смысла перегружать (*, &, ->, ->*), поэтому примеров ниже не будет.

//Не делайте подобного! Такая перегрузка может ввести в заблуждение, это просто пример реализации //Аналогично можно сделать для () int Vector3::operator (int n) { try { if (n < 3) { if (n == 0) return this->x; if (n == 1) return this->y; if (n == 2) return this->z; } else throw "Ошибка: Выход за пределы размерности вектора"; } catch (char *str) { cerr << str << endl; } return NULL; } //Этот пример также не имеет практического смысла Vector3 Vector3::operator () (Vector3 &v1, Vector3 &v2) { return Vector3(v1 & v2); }

Как перегружать new и delete ? Примеры:

//Выделяем память под 1 объект void* Vector3::operator new(size_t v) { void *ptr = malloc(v); if (ptr == NULL) throw std::bad_alloc(); return ptr; } //Выделение памяти под несколько объектов void* Vector3::operator new(size_t v) { void *ptr = malloc(sizeof(Vector3) * v); if (ptr == NULL) throw std::bad_alloc(); return ptr; } void Vector3::operator delete(void* v) { free(v); } void Vector3::operator delete(void* v) { free(v); }

Перегрузка new и delete отдельная и достаточно большая тема, которую я не стану затрагивать в этой публикации.

Перегрузка оператора запятая,
Внимание! Не стоит путать оператор запятой с знаком перечисления! (Vector3 var1, var2;)

Const Vector3 operator , (Vector3 &v1, Vector3 &v2) { return Vector3(v1 * v2); } v1 = (Vector3(10, 10, 10), Vector3(20, 25, 30)); // Вывод: (200, 250, 300)