Глава 6

Перегрузка Операций

Часто программы работают с объектами, которые являются конкретными представлениями абстрактных понятий. Например, тип данных int в C++ вместе с операциями +, -, *, / и т.д. предоставляет реализацию (ограниченную) математического понятия целых чисел. Такие понятия обычно включают в себя множество операций, которые кратко, удобно и привычно представляют основные действия над объектами. К сожалению, язык программирования может непосредственно поддерживать лишь очень малое число таких понятий. Например, такие понятия, как комплексная арифметика, матричная алгебра, логические сигналы и строки не получили прямой поддержки в C++. Классы дают средство спецификации в C++ представления неэлементарных объектов вместе с множеством действий, которые могут над этими объектами выполняться. Иногда определение того, как действуют операции на объекты классов, позволяет программисту обеспечить более общепринятую и удобную запись для манипуляции объектами классов, чем та, которую можно достичь используя лишь основную функциональную запись. Например:

  class complex {
      double re, im;
  public:
      complex(double r, double i) { re=r; im=i; }
      friend complex operator+(complex, complex);
      friend complex operator*(complex, complex);
  };

  void f()
  {
      complex a = complex(1, 3.1);
      complex b = complex(1.2, 2);
      complex c = b;
      a = b+c;
      b = b+c*a;
      c = a*b+complex(1,2);
  }

6.2 Функции Операции

Можно описывать функции, определяющие значения следующих операций:

  +   -   *   /   %   ^   &   |   ~   !
  =   <   >   +=  -=  *=  /=  %=  ^=  &=
  |=  <<  >>  >>= <<= ==  !=  <=  >=  &&
  ||  ++  --  []  ()  new delete

6.2.1 Бинарные и Унарные Операции

Бинарная операция может быть определена или как функция член, получающая один параметр, или как функция друг, получающая два параметра. Таким образом, для любой бинарной операции @ aa@bb может интерпретироваться или как aa.operator@(bb), или как operator@(aa,bb). Если определены обе, то aa@bb является ошибкой. Унарная операция, префиксная или постфиксная, может быть определена или как функция член, не получающая параметров, или как функция друг, получающая один параметр. Таким образом, для любой унарной операции @ aa@ или @aa может интерпретироваться или как aa.operator@(), или как operator@(aa). Если определена и то, и другое, то и aa@ и @aa являются ошибками. Рассмотрим следующие примеры:

  class X {
  // друзья
      friend X operator-(X);      // унарный минус
      friend X operator-(X,X);    // бинарный минус
      friend X operator-();       // ошибка: нет операндов
      friend X operator-(X,X,X);  // ошибка: тернарная
  // члены (с неявным первым параметром: this)
      X* operator&(); // унарное & (взятие адреса)
      X operator&(X); // бинарное & (операция И)
      X operator&(X,X);   // ошибка: тернарное
  };

6.2.2 Предопределенные Значения Операций

Приведенная во введении реализация комплексных чисел слишком ограничена, чтобы она могла устроить кого-либо, поэтому ее нужно расширить. Это будет в основном повторением описанных выше методов. Например:

  class complex {
      double re, im;
  public:
      complex(double r, double i) { re=r; im=i; }
      friend complex operator+(complex, complex);
      friend complex operator+(complex, double);
      friend complex operator+(double, complex);
      friend complex operator-(complex, complex);
      friend complex operator-(complex, double);
      friend complex operator-(double, complex);
      complex operator-()     // унарный -
      friend complex operator*(complex, complex);
      friend complex operator*(complex, double);
      friend complex operator*(double, complex);
      // ...
  };

  void f()
  {
      complex a(1,1), b(2,2), c(3,3), d(4,4), e(5,5);
      a = -b-c;
      b = c*2.0*c;
      c = (d+e)*a;
  }

6.3.1 Конструкторы

Альтернативу использованию нескольких функций (перегруженных) составляет описание конструктора, который по заданному double создает complex. Например:

  class complex {
      // ...
      complex(double r) { re=r; im=0; }
  };

  complex z1 = complex(23);
  complex z2 = 23;

  class complex {
      double re, im;
  public:
      complex(double r, double i = 0) { re=r; im=i; }
      friend complex operator+(complex, complex);
      friend complex operator*(complex, complex);
  };

  a=operator*( b, complex( double(2), double(0) ) )

6.3.2 Операции Преобразования

Использование конструктора для задания преобразования типа является удобным, но имеет следствия, которые могут оказаться нежелательными:
[1] Не может быть неявного преобразования из определенного пользователем типа в основной тип (поскольку основные типы не являются классами);
[2] Невозможно задать преобразование из нового типа в старый, не изменяя описание старого; и
[3] Невозможно иметь конструктор с одним параметром, не имея при этом преобразования.
Последнее не является серьезной проблемой, а с первыми двумя можно справиться, определив для исходного типа операцию преобразования. Функция член X::operator T(), где T - имя типа, определяет преобразование из X в T. Например, можно определить тип tiny (крошечный), который может иметь значение только в диапазоне 0...63, но все равно может свободно сочетаться в целыми в арифметических операциях:

  class tiny {
      char v;
      int assign(int i)
      { return v = (i&~63) ? (error("ошибка диапазона"),0) : i; }
  public:
      tiny(int i)            { assign(i); }
      tiny(tiny& i)          { v = t.v; }
      int operator=(tiny& i) { return v = t.v; }
      int operator=(int i)   { return assign(i); }
      operator int()         { return v; }
  }

  void main()
  {
      tiny c1 = 2;
      tiny c2 = 62;
      tiny c3 = c2 - c1;  // c3 = 60
      tiny c4 = c3;       // нет проверки диапазона (необязательна)
      int i = c1 + c2;    // i = 64
      c1 = c2 + 2 * c1;   // ошибка диапазона: c1 = 0 (а не 66)
      c2 = c1 -i;         // ошибка диапазона: c2 = 0
      c3 = c2;            // нет проверки диапазона (необязательна)
  }

6.3.3 Неоднозначности

Присваивание объекту (или инициализация объекта) класса X является допустимым, если или присваиваемое значение является X, или существует единственное преобразование присваиваемого значения в тип X.
В некоторых случаях значение нужного типа может сконструироваться с помощью нескольких применений конструкторов или операций преобразования. Это должно делаться явно; допустим только один уровень неявных преобразований, определенных пользователем. Иногда значение нужного типа может быть сконструировано более чем одним способом. Такие случаи являются недопустимыми. Например:

  class x { /* ... */ x(int); x(char*); };
  class y { /* ... */ y(int); };
  class z { /* ... */ z(x); };
  overload f;
  x f(x);
  y f(y);
  z g(z);
  f(1);         // недопустимо: неоднозначность f(x(1)) или f(y(1))
  f(x(1));
  f(y(1));
  g("asdf");     // недопустимо: g(z(x("asdf"))) не пробуется
  g(z("asdf"));

  class x { /* ... */ x(int); }
  overload h(double), h(x);
  h(1);

6.4 Константы

При каждом применении для comlpex бинарных операций, описанных выше, в функцию, которая реализует операцию, как параметр передается копия каждого операнда. Расходы на копирование каждого double заметны, но с ними вполне можно примириться. К сожалению, не все классы имеют небольшое и удобное представление. Чтобы избежать ненужного копирования, можно описать функции таким образом, чтобы они получали ссылочные параметры. Например:

  class matrix {
      double m[4][4];
  public:
      matrix();
      friend matrix operator+(matrix&, matrix&);
      friend matrix operator*(matrix&, matrix&);
  };

  matrix operator+(matrix&, matrix&);
  {
      matrix sum;
      for (int i=0; i<4; i++)
          for (int j=0; j<4; j++)
              sum.m[i][j] = arg1.m[i][j] + arg2.m[i][j];
      return sum;
  }

  class matrix {
      // ...
      friend matrix& operator+(matrix&, matrix&);
      friend matrix& operator*(matrix&, matrix&);
  };

6.6 Присваивание и Инициализация

Рассмотрим очень простой класс строк string:

  struct string {
      char* p;
      int size;    // размер вектора, на который указывает p
      string(int sz) { p = new char[size=sz]; }
      ~string() { delete p; }
  };

  void f()
  {
      string s1(10);
      string s2(20);
      s1 = s2;
  }

  struct string {
      char* p;
      int size;    // размер вектора, на который указывает p
      string(int sz) { p = new char[size=sz]; }
      ~string() { delete p; }
      void operator=(string&)
  };
  void string::operator=(string& a)
  {
      if (this == &a) return;      // остерегаться s=s;
      delete p;
      p=new char[size=a.size];
      strcpy(p,a.p);
  }

  void f()
  {
      string s1(10);
      s2 = s1;
  }

  struct string {
      char* p;
      int size;    // размер вектора, на который указывает p
      string(int sz) { p = new char[size=sz]; }
      ~string() { delete p; }
      void operator=(string&)
      string(string&);
  };
  void string::string(string& a)
  {
      p=new char[size=a.size];
      strcpy(p,a.p);
  }

  class X {
      // ...
      X(something);  // конструктор: создает объект
      X(&X);         // конструктор: копирует в инициализации
      operator=(X&); // присваивание: чистит и копирует
      ~X();          // деструктор: чистит
  };

  string g(string arg)
  {
      return arg;
  }
  main()
  {
      string s = "asdf";
      s = g(s);
  }

6.7 Индексирование

6.8 Вызов Функции

Вызов функции, то есть запись выражение(список_выражений), можно проинтерпретировать как бинарную операцию, и операцию вызова можно перегружать так же, как и другие операции. Список параметров функции operator() вычисляется и проверяется в соответствие с обычными правилами передачи параметров. Перегружающая функция может оказаться полезной главным образом для определения типов с единственной операцией и для типов, у которых одна операция настолько преобладает, что другие в большинстве ситуаций можно не принимать во внимание.
Для типа ассоциативного массива assoc мы не определили итератор. Это можно сделать, определив класс assoc_iterator, работа которого состоит в том, чтобы в определенном порядке поставлять элементы из assoc. Итератору нужен доступ к данным, которые хранятся в assoc, поэтому он сделан другом:

  class assoc {
  friend class assoc_iterator;
      pair* vec;
      int max;
      int free;
  public:
      assoc(int);
      int& operator[](char*);
  };

  class assoc_iterator{
      assoc* cs;  // текущий массив assoc
      int i;      // текущий индекс
  public:
      assoc_iterator(assoc& s) { cs = &s; i = 0; }
      pair* operator()()
          { return (ifree)? &cs->vec[i++] : 0; }
  };

  main()    // считает вхождения каждого слова во вводе
  {
      const MAX = 256;  // больше самого большого слова
      char buf[MAX];
      assoc vec(512);
      while (cin>>buf) vec[buf]++;
      assoc_iterator next(vec);
      pair* p;
      while ( p = next() )
          cout << p->name << ": " << p->val << "\n";
  }

6.9 Класс Строка

Вот довольно реалистичный пример класса string. В нем производится учет ссылок на строку с целью минимизировать копирование и в качестве констант применяются стандартные символьные строки C++.

  #include
  #include
  class string {
      struct srep {
          char* s;           // указатель на данные
          int   n;           // счетчик ссылок
  };
      srep *p;
  public:
      string(char *);        // string x = "abc"
      string();              // string x;
      string(string &);      // string x = string ...
      string& operator=(char *);
      string& operator=(string &);
      ~string();
      char& operator[](int i);
      friend ostream& operator<<(ostream&, string&);
      friend istream& operator>>(istream&, string&);
      friend int operator==(string& x, char* s)
          {return strcmp(x.p->s, s) == 0; }
      friend int operator==(string& x, string& y)
          {return strcmp(x.p->s, y.p->s) == 0; }
      friend int operator!=(string& x, char* s)
          {return strcmp(x.p->s, s) != 0; }
      friend int operator!=(string& x, string& y)
          {return strcmp(x.p->s, y.p->s) != 0; }
  };

  string::string()
  {
      p = new srep;
      p->s = 0;
      p->n = 1;
  }
  string::string(char* s)
  {
      p = new srep;
      p->s = new char[ strlen(s)+1 ];
      strcpy(p->s, s);
      p->n = 1;
  }
  string::string(string& x)
  {
      x.p->n++;
      p = x.p;
  }
  string::~string()
  {
      if (--p->n == 0) {
          delete p->s;
          delete p;
      }
  }

  string& string::operator=(char* s)
  {
      if (p->n > 1) {    // разъединить себя
          p-n--;
          p = new srep;
      }
      else if (p->n == 1)
          delete p->s;
      p->s = new char[ strlen(s)+1 ];
      strcpy(p->s, s);
      p->n = 1;
      return *this;
  }

  string& string::operator=(string& x)
  {
      x.p->n++;
      if (--p->n == 0) {
          delete p->s;
          delete p;
      }
      p = x.p;
      return *this;
  }

  ostream& operator<<(ostream& s, string& x)
  {
      return s << x.p->s << " [" << x.p->n << "]\n";
  }

6.10 Друзья и Члены

6.11 Предостережение