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C++ 一元运算符重载

在C++中，运算符重载是一种强大的特性，它允许我们为自定义类型定义运算符的行为。一元运算符是只需要一个操作数的运算符，比如递增(++)、递减(--)、负号(-)、逻辑非(!)等。通过重载这些运算符，我们可以使自定义类型的使用方式更加直观和自然。

什么是一元运算符？​

一元运算符是只对一个操作数进行操作的运算符。C++中常见的一元运算符包括：

  • 前置递增(++a)和后置递增(a++)
  • 前置递减(--a)和后置递减(a--)
  • 负号(-a)
  • 逻辑非(!a)
  • 按位取反(~a)
  • 地址运算符(&a)
  • 解引用运算符(*a)

一元运算符重载的基本语法​

一元运算符重载可以通过成员函数或友元函数来实现：

成员函数形式​

cpp
class ClassName {
public:
    // 前置递增运算符
    ReturnType operator++();
    
    // 后置递增运算符（注意int参数）
    ReturnType operator++(int);
    
    // 负号运算符
    ReturnType operator-() const;
    
    // 逻辑非运算符
    ReturnType operator!() const;
    
    // ...其他一元运算符
};

友元函数形式​

cpp
class ClassName {
    friend ReturnType operator++(ClassName& obj);
    friend ReturnType operator++(ClassName& obj, int);
    friend ReturnType operator-(const ClassName& obj);
    friend ReturnType operator!(const ClassName& obj);
    // ...其他一元运算符
};

// 在类外部定义
ReturnType operator++(ClassName& obj) { /*...*/ }
ReturnType operator++(ClassName& obj, int) { /*...*/ }
// ...

前置和后置递增/递减运算符​

前置和后置递增/递减运算符的区别是非常重要的，它们在重载时也有不同的写法。

前置递增/递减运算符​

前置运算符（如++a）先增加值，然后返回增加后的引用。

cpp
// 成员函数形式
Type& operator++() {
    // 先执行递增操作
    // ...
    
    // 返回自身引用
    return *this;
}

后置递增/递减运算符​

后置运算符（如a++）先返回当前值的副本，然后再增加值。为了区分前置和后置版本，后置版本的函数参数列表中有一个额外的int参数（编译器会自动传入0）。

cpp
// 成员函数形式
Type operator++(int) {
    // 保存当前状态
    Type old = *this;
    
    // 执行递增操作
    // ...
    
    // 返回递增前的副本
    return old;
}
提示

为了性能考虑，前置递增/递减通常比后置版本更高效，因为后置版本需要创建一个临时对象。

实例：自定义整数类的一元运算符重载​

让我们创建一个简单的整数包装类，并为它重载几种一元运算符：

cpp
#include <iostream>

class Integer {
private:
    int value;

public:
    Integer(int val = 0) : value(val) {}

    // 获取值
    int getValue() const { return value; }

    // 前置递增
    Integer& operator++() {
        ++value;
        return *this;
    }

    // 后置递增
    Integer operator++(int) {
        Integer old = *this;
        ++value;
        return old;
    }

    // 前置递减
    Integer& operator--() {
        --value;
        return *this;
    }

    // 后置递减
    Integer operator--(int) {
        Integer old = *this;
        --value;
        return old;
    }

    // 负号运算符
    Integer operator-() const {
        return Integer(-value);
    }

    // 逻辑非运算符
    bool operator!() const {
        return (value == 0);
    }

    // 输出运算符（非一元运算符，为了方便输出）
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Integer& obj) {
        os << obj.value;
        return os;
    }
};

int main() {
    Integer a(5);
    
    std::cout << "原始值: " << a << std::endl;
    
    // 前置递增
    ++a;
    std::cout << "++a 后: " << a << std::endl;
    
    // 后置递增
    Integer b = a++;
    std::cout << "a++ 后, a = " << a << ", b = " << b << std::endl;
    
    // 负号运算符
    Integer c = -a;
    std::cout << "-a = " << c << std::endl;
    
    // 逻辑非运算符
    Integer d(0);
    std::cout << "!a = " << !a << ", !d = " << !d << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

原始值: 5
++a 后: 6
a++ 后, a = 7, b = 6
-a = -7
!a = 0, !d = 1

负号运算符重载​

负号运算符通常应返回一个新对象，该对象表示原对象的相反值：

cpp
// 成员函数实现
Integer operator-() const {
    return Integer(-value);  // 返回一个新对象
}

// 友元函数实现
friend Integer operator-(const Integer& obj) {
    return Integer(-obj.value);
}

逻辑非运算符重载​

逻辑非运算符通常返回一个布尔值，表示对象是否为"假"：

cpp
// 成员函数实现
bool operator!() const {
    return (value == 0);  // 如果值为0返回true
}

// 友元函数实现
friend bool operator!(const Integer& obj) {
    return (obj.value == 0);
}

一元运算符重载的实际应用​

智能指针​

智能指针是一元运算符重载的典型应用，比如解引用运算符(*)和箭头运算符(->)：

cpp
template <typename T>
class SmartPtr {
private:
    T* ptr;

public:
    SmartPtr(T* p = nullptr) : ptr(p) {}
    
    ~SmartPtr() { delete ptr; }
    
    // 解引用运算符
    T& operator*() const { return *ptr; }
    
    // 箭头运算符
    T* operator->() const { return ptr; }
};

使用示例：

cpp
struct Person {
    void sayHello() { std::cout << "Hello!" << std::endl; }
};

int main() {
    SmartPtr<Person> person(new Person());
    
    // 使用解引用运算符
    (*person).sayHello();
    
    // 使用箭头运算符
    person->sayHello();
    
    return 0;
}

迭代器​

迭代器通常重载一元运算符来提供类似于指针的功能：

cpp
template <typename T>
class MyContainer {
private:
    // 容器实现...
    
public:
    class Iterator {
    private:
        T* ptr;
        
    public:
        Iterator(T* p) : ptr(p) {}
        
        // 前置递增
        Iterator& operator++() {
            ++ptr;
            return *this;
        }
        
        // 解引用
        T& operator*() const {
            return *ptr;
        }
        
        // 相等比较（非一元运算符，但迭代器需要用到）
        bool operator==(const Iterator& other) const {
            return ptr == other.ptr;
        }
        
        bool operator!=(const Iterator& other) const {
            return ptr != other.ptr;
        }
    };
    
    Iterator begin() { /* 实现 */ }
    Iterator end() { /* 实现 */ }
};

一元运算符重载的注意事项​

  1. 保持语义一致性：重载运算符时，应确保其行为与内置类型的预期行为一致。例如，前置++应立即修改对象并返回引用。

  2. 避免副作用：像-、!这样的运算符不应修改对象本身，应返回一个新对象。

  3. 返回类型选择：

    • 前置递增/递减通常返回引用（Type&）
    • 后置递增/递减通常返回值（Type）
    • 一元负号、取反等通常返回新对象

  4. 不要重载&运算符：除非有特殊理由，一般不建议重载取地址运算符，因为这会使对象行为变得不可预测。

  5. 考虑const正确性：不修改对象状态的运算符（如-、!）应声明为const成员函数。

练习​

  1. 创建一个表示角度的类，重载前置和后置递增/递减运算符，使其在0-359度范围内循环。

  2. 为复数类重载负号运算符，使其返回共轭复数。

  3. 实现一个日期类，重载前置和后置递增/递减运算符，使其能够实现日期的加减操作。

总结​

一元运算符重载是C++中的重要特性，它让我们能够为自定义类型提供直观、自然的操作方式。通过本文我们学习了：

  • 一元运算符重载的基本语法和形式
  • 前置与后置递增/递减运算符的区别及实现
  • 负号、逻辑非等其他一元运算符的重载
  • 一元运算符重载的实际应用场景
  • 运算符重载的最佳实践和注意事项

掌握一元运算符重载，将使您的C++类更加强大和易用，符合C++的习惯用法，也为您理解标准库中的复杂类型提供了基础。

进一步阅读​

  • C++运算符优先级和结合性
  • 二元运算符重载
  • 转换运算符重载
  • 重载函数调用运算符和用户定义字面量