C++運算符重載：提高代碼可讀性和靈活性

一、什麼是運算符重載

運算符重載是指對原本有固定語義的運算符進行重新定義，賦予它們適用於自定義類型或數據結構的意義。C++允許對所有的運算符進行重載，包括算術、比較、邏輯運算符等。

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，重載了加號運算符，使之可以對自定義類型進行運算。

二、為什麼需要運算符重載

運算符重載能夠提高代碼的可讀性和靈活性。使用運算符重載可以使得代碼更加自然而直觀，易於閱讀和理解。例如，使用Vector+Vector運算符，比使用add(Vector a,Vector b)函數更接近日常語言表述。

此外，運算符重載也提高了代碼的靈活性。可以定義新的類型及其運算符，以適用於不同的應用場景。例如在圖像處理中，可以定義一種自定義的Matrix類型，並重載其乘法運算符，以方便矩陣乘法的計算。

三、運算符重載的細節和注意點

1. 運算符重載與成員函數和非成員函數的選擇

在定義運算符重載函數時，可以將其定義為成員函數或非成員函數。成員函數的第一個參數是*this指針，代表調用對象本身，非成員函數需要傳入對應的參數。一般地，如果運算符作用於兩個同類型的對象，應該定義為成員函數；如果運算符作用於不同類型的對象，應該定義為非成員函數。

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. 運算符重載的形參輸入輸出

運算符重載函數的參數列表可以根據需求進行修改，允許輸入輸出多個參數。需要注意的是，輸入參數通常是常量引用，以避免拷貝構造造成的性能損耗；輸出參數需要用引用形式，以便改變對象本身。

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.運算符重載的返回值類型

運算符重載函數除了應用於特定類型變數上的常見形式之外，還可以作為其他運算符重載函數過程中的返回值類型。返回值類型可以是各種數據類型，包括自定義類型。

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.運算符重載的友元函數

如果重載運算符需要訪問類的私有成員，就需要定義為友元函數。友元函數可以訪問聲明友元函數的類的私有成員變數和函數，但是它不是該類的成員函數。

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、總結

運算符重載是C++中一種強大的語言特性，可以提高程序的可讀性和靈活性。在使用運算符重載時需要注意一些細節問題，例如運算符重載函數的返回類型和參數類型，非成員函數和成員函數的選擇等。通過合理利用運算符重載，可以使代碼更加簡潔、易讀、易懂。