C++基础——运算符重载友元函数示例

一、前言

　　其实本人学习C++的目的，只是为了体会OOP设计思想，并为利用System Verilog验证复杂设计做准备。如果想要真正做点软件方面项目级的东西，还需要掌握其他高级语言和库、框架等知识。因此该系列博文仅注重语言基础和设计思想。上一篇该系列博文讲述了C++中基本的类封装，这次利用运算符重载友元函数来体会下C++的灵活性。

二、运算符重载友元函数

　 本文同样以《C++ Primer Plus》中的一个简单示例来讲解此内容。场景如下：时间粗劣地分为时和分两部分。需要完成两个时间的相加、时间与倍数的相乘（这个操作不太恰当，凑活看吧）以及显示时间操作。先上代码：

类声明：

#ifndef MYTIME_H_
#define MYTIME_H_

using std::ostream;

class Time
{
private:
    int hours;
    int minutes;
public:
    Time();
    Time(int h,int m=0);
    void Reset(int h = 0,int m = 0);
    Time operator+(const Time& t) const;
    Time operator*(double mult) const;//成员函数

    friend Time operator*(double m,const Time& t) //友元函数(inline)
        {return t * m;}
    friend ostream& operator<<(ostream & os,const Time& t);//<<左侧必须是ostream对象 返回ostream&
};
#endif

类方法定义：

#include <iostream>
#include "mytime.h"

Time::Time()
{
    hours = minutes = 0;
}

Time::Time(int h,int m)
{
    hours = h;
    minutes = m;
}

void Time::Reset(int h,int m)
{
    hours = h;
    minutes = m;
}

Time Time::operator+(const Time& t) const
{
    Time sum;
    sum.minutes = minutes + t.minutes;
    sum.hours = hours +t.hours +sum.minutes / 60;
    sum.minutes %= 60;
    return sum;
}

Time Time::operator*(double mult) const
{
    Time result;
    long totalminutes = hours * mult * 60 + minutes * mult;
    result.hours = totalminutes / 60;
    result.minutes = totalminutes % 60;
    return result;
}

ostream& operator<<(ostream& os,const Time& t)
{
    os << t.hours << " hours, " << t.minutes << " minutes";
    return os;
}

　　以上代码的设计原则是：想让Time类对象的相加、与常数相乘以及打印操作与C++内置类型一致。因此+、*、<<三个符号必须进行运算符重载操作，即对此类对象使用这三个运算符时的具体实现细节需重新定义。声明格式为：<返回值类型> operator<op>()。但是这里存在一个问题，成员函数Time operator*(double mult) 在被调用时，类对象必须放置在*符号左侧，也就是说当表达式为m*t(t为Time类对象)时，编译器会报错。使用<<运算符打印Time类对象时同样会遇到此问题。

　　为了实现用户友好，使用没有此限制的友元函数重载运算符是个不错的选择。友元函数是类接口的扩展，这类函数虽然不是类成员函数，但可以访问类私有成员。需要注意的一点是：<<输出数据时，左侧必须是ostream类对象。因此重载<<运算符时，必须使函数返回参数中ostream类对象本身才能正确编译cout << A << B;语句。这条语句与(cout << A) << B;等同。

三、应用程序及结果分析

应用程序示例代码：

#include <iostream>
#include "mytime.h"

using std::endl;

int main()
{
    using std::cout;

    Time planning;
    Time coding(2,40);
    Time fixing(5,55);
    Time total;
    Time adjusted1,adjusted2;

    cout << "planning time = ";
    cout << planning << endl;

    cout << "coding time = ";
    cout << coding << endl;
    cout << "fixing time = ";
    cout << fixing << endl;
    cout << endl;

    total = coding + fixing;
    cout << "coding + fixing = ";
    cout << total << endl;

    adjusted1 = total * 1.5;//调用成员函数
    cout << "total * 1.5 = ";
    cout << adjusted1 << endl;

    adjusted2 = 1.5 * total;//调用友元函数
    cout << "1.5 * total = ";
    cout << adjusted2 << endl;

}

　　Time类对象planning创建时隐式调用用户定义默认构造函数，而coding和fixing因有参数传递调用第二个构造函数，这正是C++的多态性质。可以看到，打印Time类对象与打印C++内置类型对象无异。重点关注“*”运算符的使用，adjusted1和adjusted2表达式中乘法运算依次调用了成员函数和友元函数。C++编译器同样会自动识别用户的意图。打印结果如图：

　　应用程序运行正确，重载的两个Time类对象的加法运算和Time类对象与常数的乘法运算结果无误。之后的两篇博客依次讲述动态内存分配与类继承内容，有错误的地方欢迎指正。