В этой главе описывается аппарат, предоставляемый в C++ для перегрузки операций. Программист может определять смысл операций при их применении к объектам определенного класса. Кроме арифметических, можно определять еще и логические операции, операции сравнения, вызова () и индексирования [], а также можно переопределять присваивание и инициализацию. Можно определить явное и неявное преобразование между определяемыми пользователем и основными типами. Показано, как определить класс, объект которого не может быть никак иначе скопирован или уничтожен кроме как специальными определенными пользователем функциями.
Введение
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);
};
определяет простую реализацию понятия комплексного числа, в которой число представляется парой чисел с плавающей точкой двойной точности, работа с которыми осуществляется посредством операций + и * (и только). Программист задает смысл операций + и * с помощью определения функций с именами operator+ и operator*. Если, например, даны b и c типа complex, то b+c означает (по определению) operator+(b,c). Теперь есть возможность приблизить общепринятую интерпретацию комплексных выражений. Например:
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);
}
Выполняются обычные правила приоритетов, поэтому второй оператор означает b=b+(c*a), а не b=(b+c)*a.
Можно описывать функции, определяющие значения следующих операций:
+ - * / % ^ & | ~ !
=
<>
+= -= *= /= %= ^= &=
|=
== !=
<=>
= &&
|| ++ -- [] () new delete
Последние четыре - это индексирование , вызов функции , выделение свободной памяти и освобождение свободной памяти . Изменить приоритеты перечисленных операций невозможно, как невозможно изменить и синтаксис выражений. Нельзя, например, определить унарную операцию % или бинарную !. Невозможно определить новые лексические символы операций, но в тех случаях, когда множество операций недостаточно, вы можете использовать запись вызова функции. Используйте например, не **, а pow(). Эти ограничения могут показаться драконовскими, но более гибкие правила могут очень легко привести к неоднозначностям. Например, на первый взгляд определение операции **, означающей возведение в степень, может показаться очевидной и простой задачей, но подумайте еще раз. Должна ли ** связываться влево (как в Фортране) или вправо (как в Алголе)? Выражение a**p должно интерпретироваться как a*(*p) или как (a)**(p)?
Имя функции операции есть ключевое слово operator (то есть, операция), за которым следует сама операция, например, operator
void f(complex a, complex b)
{
complex c = a + b; // сокращенная запись
complex d = operator+(a,b); // явный вызов
}
При наличии предыдущего описания complex оба инициализатора являются синонимами.
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
};
Когда операции ++ и -- перегружены, префиксное использование и постфиксное различить невозможно.
Предопределенные Значения Операций
Относительно смысла операций, определяемых пользователем, не делается никаких предположений. В частности, поскольку не предполагается, что перегруженное = реализует присваивание ее первому операнду, не делается никакой проверки, чтобы удостовериться, является ли этот операнд lvalue
Значения некоторых встроенный операций определены как равносильные определенным комбинациям других операций над теми же аргументами. Например, если a является int, то ++a означает a+=1, что в свою очередь означает a=a+1. Такие соотношения для определенных пользователем операций не выполняются, если только не случилось так, что пользователь сам определил их таким образом. Например, определение operator+=() для типа complex не может быть выведено из определений complex::operator+() и complex::operator=().
По историческому совпадению операции = и & имеют предопределенный смысл для объектов классов. Никакого элегантного способа "не определить" эти две операции не существует. Их можно, однако, сделать недееспособными для класса X. Можно, например, описать X::operator&(), не задав ее определения. Если где-либо будет браться адрес объекта класса X, то компоновщик обнаружит отсутствие определения*1. Или, другой способ, можно определить X::operator&() так, чтобы вызывала ошибку во время выполнения.
Операции и Определяемые Пользователем Типы
Функция операция должна или быть членом, или получать в качестве параметра по меньшей мере один объект класса (функциям, которые переопределяют операции new и delete, это делать необязательно). Это правило гарантирует, что пользователь не может изменить смысл никакого выражения, не включающего в себя определенного пользователем типа. В частности, невозможно определить функцию, которая действует исключительно на указатели.
Функция операция, первым параметром которой предполагается основной тип, не может быть функцией членом. Рассмотрим, например, сложение комплексной переменной aa с целым 2: aa+2, при подходящим образом описанной функции члене, может быть проинтерпретировано как aa.operator+(2), но с 2+aa это не может быть сделано, потому что нет такого класса int, для которого можно было бы определить + так, чтобы это означало 2.operator+(aa). Даже если бы такой тип был, то для того, чтобы обработать и 2+aa и aa+2, понадобилось бы две различных функции члена. Так как компилятор не знает смысла +, определенного пользователем, то не может предполагать, что он коммутативен, и интерпретировать 2+aa как aa+2. С этим примером могут легко справиться функции друзья.
Все функции операции по определению перегружены. Функция операция задает новый смысл операции в дополнение к встроенному определению, и может существовать несколько функций операций с одним и тем же именем, если в типах их параметров имеются отличия, различимые для компилятора, чтобы он мог различать их при обращении .
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);
// ...
};
Теперь, имея описание complex, мы можем написать:
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;
}
Но писать функцию для каждого сочетания complex и double, как это делалось выше для operator+(), невыносимо нудно. Кроме того, близкие к реальности средства комплексной арифметики должны предоставлять по меньшей мере дюжину таких функций; посмотрите, например, на тип complex.
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; }
};
Конструктор, требующий только один параметр, необязательно вызывать явно:
complex z1 = complex(23);
complex z2 = 23;
И z1, и z2 будут инициализированы вызовом complex(23).
Конструктор - это предписание, как создавать значение данного типа. Когда требуется значение типа, и когда такое значение может быть создано конструктором, тогда, если такое значение дается для присваивания, вызывается конструктор. Например, класс complex можно было бы описать так:
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);
};
и действия, в которые будут входить переменные complex и целые константы, стали бы допустимы. Целая константа будет интерпретироваться как complex с нулевой мнимой частью. Например, a=b*2 означает:
a=operator*( b, complex( double(2), double(0) ) )
Определенное пользователем преобразование типа применяется неявно только тогда, когда оно является единственным.
Объект, сконструированный с помощью явного или неявного вызова конструктора, является автоматическим и будет уничтожен при первой возможности, обычно сразу же после оператора, в котором он был создан.
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
[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; }
}
Диапазон значения проверяется всегда, когда tiny инициализируется int, и всегда, когда ему присваивается int. Одно tiny может присваиваться другому без проверки диапазона. Чтобы разрешить выполнять над переменными tiny обычные целые операции, определяется tiny::operator int(), неявное преобразование из int в tiny. Всегда, когда в том месте, где требуется int, появляется tiny, используется соответствующее ему int. Например:
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)
}
Тип вектор из tiny может оказаться более полезным, поскольку он экономит пространство. Чтобы сделать этот тип более удобным в обращении, можно использовать операцию индексирования.
Другое применение определяемых операций преобразования - это типы, которые предоставляют нестандартные представления чисел (арифметика по основанию 100, арифметика с фиксированной точкой, двоично-десятичное представление и т.п.). При этом обычно переопределяются такие операции, как + и *.
Функции преобразования оказываются особенно полезными для работы со структурами данных, когда чтение (реализованное посредством операции преобразования) тривиально, в то время как присваивание и инициализация заметно более сложны.
<>
x выше возвращает istream&. Это значение неявно преобразуется к значению, которое указывает состояние cin, а уже это значение может проверяться оператором while . Однако определять преобразование из оного типа в другой так, что при этом теряется информация, обычно не стоит.
