§ 3. Перегрузка операций

Перегрузка операторов в программировании — один из способов реализации полиморфизма. Она позволяет использовать нескольких различных вариантов применения оператора. Операторы имеют одно и то же имя, но различаются типами параметров, к которым они применяются.

В языке C++ операторы реализованы в виде функций. Используя перегрузку функции оператора, вы можете определить свои собственные версии операторов, которые будут работать с разными типами данных, включая классы.

С перегруженными операторами вы уже работали. В классе string перегружены операторы сравнения и оператор «+». Для сравнения строк используются те же знаки, что и для сравнения чисел, однако сравнение строк выполняется не так, как сравниваются числа. Сложение строк также имеет смысл, отличный от сложения чисел.

Большинство операций в С++ можно перезагрузить (пример 3.1)[1].

Важно помнить, что перегрузка расширяет возможности языка, а не изменяет язык. Поэтому нельзя перегружать операторы для встроенных типов данных. Нельзя менять приоритет выполнения операторов и их ассоциативность (слева направо или справа налево). Нельзя создавать собственные операторы и перегружать некоторые встроенные (пример 3.2).

Синтаксис перегрузки операций:

тип operator @ (список_параметров-операндов)
{
// тело функции
}

где @ — знак перегружаемой операции,

тип — тип возвращаемого значения.

Перегружать можно только операции, для которых хотя бы один аргумент представляет тип данных, определенный пользователем (например, класс). Функция для перегрузки операции должна быть определена либо как функция-член класса (пример 3.3), либо как внешняя функция, но дружественная классу (пример 3.4). Один и тот же оператор можно перегрузить несколько раз.

Если бинарная[2] операция перегружается с использованием метода класса, то первым операндом она получает переменную класса, которая неявно передается через указатель this на объект. Вторым операндом является аргумент функции. Таким образом, бинарная операция, перегружаемая методом класса, имеет фактически один параметр (правый операнд), а левый передается неявно через указатель this.

Если перегрузка бинарной операции реализована с использованием дружественной функции, то в списке параметров должно быть два аргумента.

Пример 3.5. Вектор на плоскости задается парой координат. Описать класс Vect для представления вектора на плоскости. Реализовать метод, вычисляющий длину вектора, перегрузить операторы «+» (сложение двух векторов), «*» (умножения вектора на число), «==» (сравнение векторов), «>» (сравнение векторов по длине).

Этапы выполнения задания

1. Полями класса будут координаты (x, y) вектора на плоскости.

2. Для вычисления длинны вектора в методе класса dl используется формула вычисления длины отрезка.

3. Реализовать перегрузку операций.

1. 1. Для перегрузки операций «==» и «>» нужно описать соответствующие функции. Функции должны иметь тип bool. Функции реализовать как методы класса.
   2. Для перегрузки операции «*» нужно описать соответствующую функцию. Функция должна иметь тип Vect. Функцию реализовать как метод класса.
   3. Для перегрузки операции «+» реализовать дружественную функцию, возвращающую тип Vect.

Любой перегруженный оператор можно вызвать с использованием функциональной формы записи (функции-операции):

Vect v3 = operator + (v1, v2);

Использование операции — это всего лишь сокращенная запись явного вызова функции операции. Поскольку функция-операция описывается так же, как любая другая функция, то и вызываться она может аналогично.

Прямоугольную таблицу с числами в математике называют матрицей. Размер матрицы определяется количеством строк и столбцов в ней. Для матриц определены арифметические операции. Матрицу можно умножить на число — для этого каждый элемент матрицы умножается на него. Две матрицы одинакового размера можно сложить или отнять. Действия выполняются над элементами, стоящими на соответствующих местах.

Пример 3.6. Описать класс Matrix. Перегрузить операции сложения, вычитания и умножения матрицы на число.

Этапы выполнения задания

1.  Полями класса будут целые числа m, n — количество строк и столбцов в матрице и двумерный вектор для хранения самой матрицы.

2. Реализовать метод rand_data, который будет заполнять матрицу случайными числами.

3. Перегрузка операций аналогична перегрузке операций, которые реализованы в примере 3.4.

1. 1. При перегрузке операции умножения на число умножим на это число каждый элемент матрицы.
   2. При перегрузке операции «+» просуммируем элементы с одинаковыми номерами строки и столбца.
   3. При перегрузке операции «-» воспользуемся тем, что
      A – B = A + B * (–1).

[1] Более подробно о перегрузке операторов можно почитать, например здесь: https://habr.com/ru/post/489666/

Для стандартных типов данных таких как int или double ввод и вывод реализован через стандартные операторы >> и <<. Эти же операторы перегружены для ввода-вывода строк. Для пользовательских типов данных, имеющих множество полей, также можно перегрузить операторы ввода-вывода. Перегрузка операторов << и >> намного упрощает процесс вывода объекта на экран и получение пользовательского ввода с записью данных в объект класса.

Рассмотрим перегрузку оператора <<. Оператор является бинарным оператором, поэтому его перегрузка будет аналогична перегрузке оператора «+», рассмотренной в примерах 3.5 и 3.6. Левым операндом у оператора << является объект cout, а правым — объект класса, который нужно вывести. Переопределяемый оператор должен возвращать значение типа ostream, объектом которого является cout. Параметры, описываемой функции, должны быть ссылками (примеры 3.7 и 3.8). Также ссылкой должен быть и возвращаемый результат, поскольку ostream запрещает свое копирование.

Перегрузка оператора ввода происходит аналогично. Отличие в том, что cin является объектом типа istream (примеры 3.9 и 3.10). Ссылка на объект класса, являющийся вторым параметром, не может быть константой, поскольку объект изменяется при вводе.

После перезагрузки операторов ввода и вывода их можно использовать также  для чтения и записи файлов.

1. Для чего используется перегрузка операций?

2. Какие операции можно перегрузить в С++?

3. Какие операции нельзя перегрузить в С++?

4. Какими способами можно определить функцию для перегрузки операторов?