C++运算符重载：提高代码可读性和灵活性

一、什么是运算符重载

运算符重载是指对原本有固定语义的运算符进行重新定义，赋予它们适用于自定义类型或数据结构的意义。C++允许对所有的运算符进行重载，包括算术、比较、逻辑运算符等。

class Vector{
  public:
    int x,y,z;
    Vector(int a=0,int b=0,int c=0){
      x=a,y=b,z=c;
    }
    Vector operator + (const Vector &other) const{
      return Vector(x+other.x,y+other.y,z+other.z);
    }
};

如上所示，重载了加号运算符，使之可以对自定义类型进行运算。

二、为什么需要运算符重载

运算符重载能够提高代码的可读性和灵活性。使用运算符重载可以使得代码更加自然而直观，易于阅读和理解。例如，使用Vector+Vector运算符，比使用add(Vector a,Vector b)函数更接近日常语言表述。

此外，运算符重载也提高了代码的灵活性。可以定义新的类型及其运算符，以适用于不同的应用场景。例如在图像处理中，可以定义一种自定义的Matrix类型，并重载其乘法运算符，以方便矩阵乘法的计算。

三、运算符重载的细节和注意点

1. 运算符重载与成员函数和非成员函数的选择

在定义运算符重载函数时，可以将其定义为成员函数或非成员函数。成员函数的第一个参数是*this指针，代表调用对象本身，非成员函数需要传入对应的参数。一般地，如果运算符作用于两个同类型的对象，应该定义为成员函数；如果运算符作用于不同类型的对象，应该定义为非成员函数。

class Vector{
  public:
    int x,y,z;
    Vector(int a=0,int b=0,int c=0){
      x=a,y=b,z=c;
    }
    friend Vector operator + (const Vector &a,const Vector &b){
      return Vector(a.x+b.x,a.y+b.y,a.z+b.z);
    }
};

2. 运算符重载的形参输入输出

运算符重载函数的参数列表可以根据需求进行修改，允许输入输出多个参数。需要注意的是，输入参数通常是常量引用，以避免拷贝构造造成的性能损耗；输出参数需要用引用形式，以便改变对象本身。

class Matrix{
  public:
    int mat[3][3];
    Matrix(){}
    Matrix(int a[][3]){
      memcpy(mat,a,sizeof(mat));
    }
    friend Matrix operator * (const Matrix &a,const Matrix &b){
      Matrix res;
      memset(res.mat,0,sizeof(res.mat));
      for(int i=0;i<3;i++){
        for(int j=0;j<3;j++){
          for(int k=0;k<3;k++){
            res.mat[i][j]+=a.mat[i][k]*b.mat[k][j];
          }
        }
      }
      return res;
    }
};

3.运算符重载的返回值类型

运算符重载函数除了应用于特定类型变量上的常见形式之外，还可以作为其他运算符重载函数过程中的返回值类型。返回值类型可以是各种数据类型，包括自定义类型。

class Box{
  public:
    int length,width,height;
    Box(){}
    Box(int a,int b,int c):length(a),width(b),height(c){}
    friend bool operator < (const Box &a,const Box &b){
      return a.length*a.width*a.height<b.length*b.width*b.height;
    }
    friend bool operator == (const Box &a,const Box &b){
      return a.length==b.length&&a.width==b.width&&a.height==b.height;
    }
};

4.运算符重载的友元函数

如果重载运算符需要访问类的私有成员，就需要定义为友元函数。友元函数可以访问声明友元函数的类的私有成员变量和函数，但是它不是该类的成员函数。

class Fraction{
  public:
    Fraction(int n=0,int d=1):num(n),den(d){}
    friend Fraction operator + (const Fraction &a,const Fraction &b){
      int n=a.num*b.den+b.num*a.den,d=a.den*b.den;
      int g=gcd(n,d);
      return Fraction(n/g,d/g);
    }
  private:
    int num,den; 
    int gcd(int a,int b){
      return b==0?a:gcd(b,a%b);
    }
};

四、总结

运算符重载是C++中一种强大的语言特性，可以提高程序的可读性和灵活性。在使用运算符重载时需要注意一些细节问题，例如运算符重载函数的返回类型和参数类型，非成员函数和成员函数的选择等。通过合理利用运算符重载，可以使代码更加简洁、易读、易懂。