C++11QT復習 （四）

Day6-1 輸入輸出流運算符重載（2025.03.25）

1. 拷貝構造函數的調用時機
2. 友元2.1 友元函數
3. 輸入輸出流運算符重載3.1 關鍵知識點3.2 代碼3.3 關鍵問題3.4 完整代碼
4. 下標訪問運算符 `operator[]`4.1 關鍵知識點4.2 代碼
5. 函數調用運算符 `operator()`5.1 關鍵知識點5.2 代碼5.3 示例5.4 完整代碼
6. 總結

1. 回顧

1.1 拷貝構造函數的調用時機

拷貝構造函數在以下情況會被調用：

  1. 對象初始化

    • 當用一個已經存在的對象去初始化一個剛剛創建的對象時，調用拷貝構造函數。
    • 例：
      Complex c1(1, 2);
Complex c2 = c1; // 調用拷貝構造函數

  2. 函數參數傳遞

    • 當形參與實參都是對象時，在函數調用時會調用拷貝構造函數。
    • 例：
      void func(Complex c) { }
func(c1); // 形參與實參結合時調用拷貝構造函數

  3. 函數返回對象

    • 當函數返回一個對象時，可能調用拷貝構造函數（但現代 C++ 編譯器會嘗試優化此過程，如返回值優化 RVO）。
    • 例：
      Complex func() {Complex c(3, 4);return c; // 可能調用拷貝構造函數
}

2. 友元

2.1 友元函數
  • 友元函數可以訪問類的私有成員。
  • 友元聲明可以出現在類的 public、protected 或 private 部分，不影響其權限。
  • 友元關系是單向的、不可傳遞的：
    • 單向：如果 A 是 B 的友元，B 并不會自動成為 A 的友元。
    • 不可傳遞：如果 A 是 B 的友元，B 是 C 的友元，A 并不會自動成為 C 的友元。

3. 輸入輸出流運算符重載

3.1 關鍵知識點

  1. operator<< 必須是友元函數

    • 由于 cout << c1; 左操作數是 std::ostream，不能修改 std::ostream，所以 operator<< 不能是 Complex 的成員函數。

  2. operator>> 不能是 const 成員函數

    • 因為 operator>> 需要修改對象的值，因此不能加 const。
3.2 代碼
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& rhs) {if (rhs._imag > 0) {os << rhs._real << " + " << rhs._imag << "i";} else if (rhs._imag == 0) {os << rhs._real;} else {os << rhs._real << " - " << -rhs._imag << "i";}return os;
}std::istream& operator>>(std::istream& is, Complex& rhs) {std::cout << "請輸入復數的實部和虛部：" << std::endl;is >> rhs._real >> rhs._imag;return is;
}
3.3 關鍵問題

  • 為什么 operator<< 和 operator>> 的返回值是 std::ostream& 和 std::istream& ？

    • 這樣可以實現連續輸入輸出：
      cout << c1 << c2 << endl;  // 連續輸出
cin >> c1 >> c2;           // 連續輸入

  • 為什么 operator<< 的 ostream& 參數不能去掉 & ？

    • 因為 ostream 的拷貝構造函數已被 delete，不能復制 ostream 對象。
3.4 完整代碼
#include <iostream>
#include <limits.h>
#include <ostream>using namespace std;//復數
class Complex
{friend Complex operator*(const Complex& lhs, const Complex& rhs);//Complex operator/(const Complex& rhs) const;
public:Complex(double r = 0, double i = 0): _real(r), _imag(i){cout << "Complex(double r = 0, double i = 0)" << endl;}~Complex(){cout << "~Complex()" << endl;}void display() const{if (_imag > 0){cout << _real << " + " << _imag << "i" << endl;}else if (_imag == 0){cout << _real << endl;}else{cout << _real << " - " << -_imag << "i" << endl;}}//成員函數，operator輸出運算符重載 //cout << c1 << endl; //第一個參數cout ,第二個參數c1//std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& rhs); //error！隱含this指針//對于輸出流運算符函數而言，不能寫成成員函數的形式，因為違背了運算符重載的原則，不能改變操作數的順序//std::ostream& operator<<(std::ostream& os);//error！this指針在參數列表的第一個位置/*友元函數可以放在類的 任何位置（public / protected / private），不影響其功能。從代碼規范角度，建議統一放在類定義的開頭或結尾，以提高可讀性。友元關系是單向的，且不具備傳遞性（即類 A 的友元函數不會自動成為類 B 的友元）。*/friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& rhs);//輸入流運算符重載friend std::istream& operator>>(std::istream& is, Complex& rhs);private:double _real;double _imag;
};
//問題1 ：參數列表中ostrream的引用符號&能不能去掉？
//解答1 ：不能去掉因為形參"os"和實參"cout"結合的時候會滿足拷貝構造函數的調用時機，但是ostream中的拷貝構造函數已被delete//問題2 ： 函數返回類型中的引用符號&能不能刪除？
//解答2 ： 不能取掉，因為return os，返回類型滿足拷貝構造函數的調用時機3//注釋：basic_ifstream( const basic_ifstream& rhs ) = delete; (7)	(since C++11)
//	   basic_ofstream( const basic_ofstream& rhs ) = delete; (7)	(since C++11)
//ifstram 和 ofstream 的拷貝構造函數已經從C++11開始刪除了
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& rhs)
{cout << "std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& rhs)" << endl;if (rhs._imag > 0){os << rhs._real << " + " << rhs._imag << "i" << endl;}else if (rhs._imag == 0){os << rhs._real << endl;}else{os << rhs._real << " - " << -rhs._imag << "i" << endl;}return os;
}void readDouble(std::istream& is, double& rhs)
{while (is >> rhs, !is.eof()){if (is.bad()){std::cerr << "istream is bad" << endl;return;}else if (is.fail()){is.clear();//重置流的狀態is.ignore(std::numeric_limits<::std::streamsize>::max(), '\n');//清空緩沖區cout << "請注意：需要輸入double類型的數據！";}else{cout << "rhs = " << rhs << endl;break;}}
}//輸入流運算符重載
std::istream& operator>>(std::istream& is, Complex& rhs)//因為要修改rhs 的值，所以不能加const
{cout << "std::istream& operator>>(std::istream& is, Complex& rhs)" << endl;cout << "請分別輸入復數的實部和虛部：" << endl;//is >> rhs._real >> rhs._imag;readDouble(is, rhs._real);readDouble(is, rhs._imag);return is;
}void testOutputOperator()
{Complex c1(1, 2);cout << "c1 = ";c1.display();cout << endl << endl;//cout << "c1 = " << c1.display();//為什么沒有做輸出流運算符重載之前上面的寫法 不可行呢？ 解答：二元“<<”: 沒有找到接受“void”類型的右操作數的運算符(或沒有可接受的轉換)cout << "c1 = " << c1 << endl;cout << endl;Complex c2;cin >> c2;cout << "c2 = " << c2 << endl;
}int main(int argc, char* argv[])
{testOutputOperator();return 0;
}

4. 下標訪問運算符 operator[]

4.1 關鍵知識點
  • operator[] 主要用于自定義數組類型，使得 obj[idx] 訪問數組元素。
  • 返回值應為 T&，以保證能夠修改數組內容。
  • 必須進行越界檢查，以防止訪問非法內存。
4.2 代碼
char& CharArrar::operator[](size_t idx) {if (idx < _size) {return _data[idx];} else {static char charNull = '\0';return charNull;}
}

5. 函數調用運算符 operator()

5.1 關鍵知識點
  • 使對象像函數一樣調用，稱為仿函數（函數對象）。
  • 可存儲狀態，例如調用次數。
5.2 代碼
class FunctionObject {
public:int operator()(int x, int y) {++_cnt;return x + y;}int operator()(int x, int y, int z) {++_cnt;return x * y * z;}private:int _cnt = 0;
};
5.3 示例
FunctionObject fo;
cout << "fo(3, 4) = " << fo(3, 4) << endl;
cout << "fo(3, 4, 5) = " << fo(3, 4, 5) << endl;
5.4 完整代碼
//bracket.h
#pragma once
#include <iostream>
#include <string.h>using namespace std;
class CharArrar
{
public:CharArrar(size_t sz = 10):_size(sz), _data(new char[_size]){cout << " CharArrar(size_t sz = 10)" << endl;}~CharArrar(){cout << "~CharArrar()" << endl;if (_data){delete _data;_data = nullptr;}}size_t size() const{return _size;}//下標訪問運算符的重載//int arr[10] = { 1,2,3,4,5 };//arr.operator[](idx);char& operator[](size_t idx);
private:size_t _size;char* _data;
};
//bracket.cpp
#include "bracket.h"/*
要修復錯誤 C2106: “=”: 左操作數必須為左值，需要確保 CharArrar 類的
下標運算符 operator[] 返回一個可修改的左值。當前的 operator[] 聲明
返回的是一個 char，這不是一個可修改的左值。我們需要將其修改為返回一個 char&。
*/
char& CharArrar::operator[](size_t idx)
{if (idx < _size){return _data[idx];}else{static char charNUll = '\0';//靜態變量延長生命周期return charNUll;   //使得返回的實體生命周期比函數的生命周期長}
}//C++中優勢：重載的下標訪問運算符考慮了越界的問題
//引用什么時候需要加上？
//1.如果返回類型是類型的時候，可以減少拷貝構造函數的執行
//2.有可能需要一個左值（來調用右操作數），而不是拷貝后的右值、
//3.cout << "111" << c1 << endl << 10 << 1 << endl,像這種情況下連續使用的時候可以加上引用 

//parenthese.h
#pragma once
#include <iostream>using namespace std;class FunctionObject
{
public:int operator()(int x, int y);int operator()(int x, int y, int z);private:int _cnt;//記錄被調用的次數（函數對象狀態）
};
parenthese.cpp
#include <iostream>
#include "parenthese.h"using namespace std;int FunctionObject::operator()(int x, int y)
{++_cnt;cout << "int operator()(int x, int y)" << endl;return x + y;
}int FunctionObject::operator()(int x, int y, int z)
{cout << "int operator()(int x, int y,int z)" << endl;++_cnt;return x * y * z;
}
//main.cpp
#include <iostream>
#include "bracket.h"
#include "parenthese.h"using namespace std;int add(int x, int y)
{cout << "int add(int x,int y)" << endl;static int cnt = 0;++cnt;return x + y;
}void testFunctionObject()
{FunctionObject fo;int a = 3;int b = 4;int c = 5;//fo本質上是一個對象，但是他的使用cout << "fo(a,b) = " << fo(a, b) << endl;cout << "fo(a, b ,c) = " << fo(a, b, c) << endl;cout << endl;//正經的函數cout << "add(a, b) = " << add(a, b) << endl;
}void testCharArrar()
{//把字符串中的內容拷貝到CharArrayconst  char* pstr = "hello cpp";CharArrar ca(strlen(pstr) + 1);for(size_t idx = 0; idx != ca.size(); ++idx){//ca[idx] = pstr[idx];//上面和下面兩條代碼等價ca.operator[](idx) = pstr[idx];}for (size_t idx = 0; idx != ca.size(); ++idx){cout << ca[idx] << "  ";}cout << endl;
}int main(int argc, char** argv)
{testFunctionObject();testCharArrar();return  0;
}

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