Перегрузка операторов в C++

Доброго времени суток!

Желание написать данную статью появилось после прочтения поста Перегрузка C++ операторов, 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

Синтаксис перегрузки операторов очень похож на определение функции с именем operator@, где @ — это идентификатор оператора (например +, -, <<, >>). Рассмотрим простейший пример:

class Integer
{
private:
    int value;
public:
    Integer(int i): value(i) 
    {}
    const Integer operator+(const Integer& rv) const {
        return (value + rv.value);
    }
};

В данном случае, оператор оформлен как член класса, аргумент определяет значение, находящееся в правой части оператора. Вообще, существует два основных способа перегрузки операторов: глобальные функции, дружественные для класса, или подставляемые функции самого класса. Какой способ, для какого оператора лучше, рассмотрим в конце топика.

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

Рассмотрим примеры перегрузки унарных операторов для определенного выше класса Integer. Заодно определим их в виде дружественных функций и рассмотрим операторы декремента и инкремента:

class Integer
{
private:
    int value;
public:
    Integer(int i): value(i) 
    {}

    //унарный +
    friend const Integer& operator+(const Integer& i);

    //унарный -
    friend const Integer operator-(const Integer& i);

    //префиксный инкремент
    friend const Integer& operator++(Integer& i);

    //постфиксный инкремент
    friend const Integer operator++(Integer& i, int);

    //префиксный декремент
    friend const Integer& operator--(Integer& i);

    //постфиксный декремент
    friend const Integer operator--(Integer& i, int);
};

//унарный плюс ничего не делает.
const Integer& operator+(const Integer& i) {
    return i.value;
}

const Integer operator-(const Integer& i) {
    return Integer(-i.value);
}

//префиксная версия возвращает значение после инкремента
const Integer& operator++(Integer& i) {
    i.value++;
    return i;
}

//постфиксная версия возвращает значение до инкремента
const Integer operator++(Integer& i, int) {
    Integer oldValue(i.value);
    i.value++;
    return oldValue;
}

//префиксная версия возвращает значение после декремента
const Integer& operator--(Integer& i) {
    i.value--;
    return i;
}

//постфиксная версия возвращает значение до декремента
const Integer operator--(Integer& i, int) {
    Integer oldValue(i.value);
    i.value--;
    return oldValue;
}

Теперь вы знаете, как компилятор различает префиксные и постфиксные версии декремента и инкремента. В случае, когда он видит выражение ++i, то вызывается функция operator++(a). Если же он видит i++, то вызывается operator++(a, int). То есть вызывается перегруженная функция operator++, и именно для этого используется фиктивный параметр int в постфиксной версии.

Бинарные операторы

Рассмотрим синтаксис перегрузки бинарных операторов. Перегрузим один оператор, который возвращает l-значение, один условный оператор и один оператор, создающий новое значение (определим их глобально):

class Integer
{
private:
    int value;
public:
    Integer(int i): value(i) 
    {}
    friend const Integer operator+(const Integer& left, const Integer& right);

    friend Integer& operator+=(Integer& left, const Integer& right);

    friend bool operator==(const Integer& left, const Integer& right);
};

const Integer operator+(const Integer& left, const Integer& right) {
    return Integer(left.value + right.value);
}

Integer& operator+=(Integer& left, const Integer& right) {
    left.value += right.value;
    return left;
}

bool operator==(const Integer& left, const Integer& right) {
    return left.value == right.value;
}

Во всех этих примерах операторы перегружаются для одного типа, однако, это необязательно. Можно, к примеру, перегрузить сложение нашего типа Integer и определенного по его подобию Float.

Аргументы и возвращаемые значения

Как можно было заметить, в примерах используются различные способы передачи аргументов в функции и возвращения значений операторов.

• 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

При создании новых объектов и возвращении их из функции следует использовать запись как для вышеописанного примера оператора бинарного плюса.

return Integer(left.value + right.value);

Честно говоря, не знаю, какая ситуация актуальна для C++11, все рассуждения далее справедливы для C++98.
На первый взгляд, это похоже на синтаксис создания временного объекта, то есть как будто бы нет разницы между кодом выше и этим:

Integer temp(left.value + right.value);
return temp;

Но на самом деле, в этом случае произойдет вызов конструктора в первой строке, далее вызов конструктора копирования, который скопирует объект, а далее, при раскрутке стека вызовется деструктор. При использовании первой записи компилятор изначально создаёт объект в памяти, в которую нужно его скопировать, таким образом экономится вызов конструктора копирования и деструктора.

Особые операторы

В C++ есть операторы, обладающие специфическим синтаксисом и способом перегрузки. Например оператор индексирования []. Он всегда определяется как член класса и, так как подразумевается поведение индексируемого объекта как массива, то ему следует возвращать ссылку.

Оператор запятая

В число «особых» операторов входит также оператор запятая. Он вызывается для объектов, рядом с которыми поставлена запятая (но он не вызывается в списках аргументов функций). Придумать осмысленный пример использования этого оператора не так-то просто. Хабраюзер AxisPod в комментариях к предыдущей статье о перегрузке рассказал об одном.

Оператор разыменования указателя

Перегрузка этих операторов может быть оправдана для классов умных указателей. Этот оператор обязательно определяется как функция класса, причём на него накладываются некоторые ограничения: он должен возвращать либо объект (или ссылку), либо указатель, позволяющий обратиться к объекту.

Оператор присваивания

Оператор присваивания обязательно определяется в виде функции класса, потому что он неразрывно связан с объектом, находящимся слева от "=". Определение оператора присваивания в глобальном виде сделало бы возможным переопределение стандартного поведения оператора "=". Пример:

class Integer
{
private:
    int value;
public:
    Integer(int i): value(i) 
    {}

    Integer& operator=(const Integer& right) {
        //проверка на самоприсваивание
        if (this == &right) {
            return *this;
        }
        value = right.value;
        return *this;
    }
};

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

Некоторые операторы в C++ не перегружаются в принципе. По всей видимости, это сделано из соображений безопасности.

• 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

Рекомендации к форме определения операторов

Как мы уже выяснили, существует два способа операторов — в виде функции класса и в виде дружественной глобальной функции.
Роб Мюррей, в своей книге C++ Strategies and Tactics определил следующие рекомендации по выбору формы оператора:

Оператор	Рекомендуемая форма
Все унарные операторы	Член класса
= () [] -> ->*	Обязательно член класса
+= -= /= *= ^= &= |= %= >>= <<=	Член класса
Остальные бинарные операторы	Не член класса

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.

Литература

Брюс Эккель — Философия C++. Введение в стандартный C++.