C++友元和运算符重载

news2025/10/31 13:53:45

目录

一. 友元 friend

1.1 概念

1.2 友元函数

1.3 友元类

1.4 友元成员函数

二. 运算符重载

2.1 概念

2.2成员函数运算符重载

2.3 成员函数运算符重载

2.4 特殊运算符重载

2.4.1 赋值运算符重载

2.4.2 类型转换运算符重载

2.5 注意事项

三、std::string 字符串类（熟悉）

一. 友元 friend

1.1 概念

定义：

        类实现了数据的隐藏与封装，类的数据成员一般定义为私有成员，仅能通过类的成员函数才能读写。如果数据成员定义为公共的，则又破坏了封装性。但是某些情况下，需要频繁读写类的成员，特别是在对某些成员函数多次调用时，由于参数传递、类型检查和安全性检查等都需要时间开销，而影响程序的运行效率。

        友元是一种定义在类外部的普通函数，但他需要在类体内进行说明，为了和该类的成员函数加以区别，在说明时前面加以关键字friend。友元不是成员函数，但是他能够访问类中的所有成员。

作用：

        在于提高程序的运行效率，但是，他破坏了类的封装性和隐藏性，使得非成员函数能够访问类的私有成员。导致程序维护性变差，因此使用友元要慎用。

友元较为实际的应用是在运算符重载，这种应用可以提高软件系统的灵活性。

分类：

● 友元函数

● 友元类

● 友元成员函数

1.2 友元函数

友元函数是一种“声明”在类内，实际在类外的普通函数

#include <iostream>

using namespace std;

class Girl
{
private:
    int age;

public:
    Girl(int age):age(age){}

    int get_age() const
    {
        cout << &age << endl;
        return 18;
    }

    // 1. "声明"友元函数
    friend void access_true_age(Girl&);
};

// 2. 定义友元函数
void access_true_age(Girl& g)
{
    // 突破权限
    cout << &g.age << endl;
    cout << "真实年龄：" << g.age << endl;
    // 修改
    g.age = 18;
    cout << "修改后年龄:" << g.age << endl;
}

int main()
{
    Girl g(45);
    cout << g.get_age() << endl;
    // 通过友元函数访问Girl的年龄
    access_true_age(g);

    return 0;
}
需要注意的是：

● 由于不属于类的成员函数，因此友元函数没有this指针，访问类的成员只能通过对象。

● 友元函数在类中的“声明”可以写在类的任何部分，不受权限修饰符的影响。

● 理论上一个友元函数可以是多个类的友元函数，只需要在各个类中分别“声明”。

1.3 友元类

当一个类B成为了另一个类A的友元类时，类B可以访问类A的所有成员。

需要注意的是：

● 友元关系是单向的，不具有交换性。

如果类B是类A的友元类，类A不一定是类B的友元类。

● 友元关系不具有传递性。

如果类C是类B的友元类，类B是类A的友元类，类C不一定是类A的友元类。

● 友元关系不能被继承。

#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
private:
    string str = "A私有";

    // “声明”友元类
    friend class B;
};

class B
{
public:
    void func(A& a)
    {
//        cout << this->str << endl; 错误：this是B对象不是A对象
        cout << a.str << endl;
        a.str =  "我改了";
        cout << a.str << endl;
    }
};

int main()
{
    A a;
//    cout << a.str << endl; 错误
    B b;
    b.func(a);

    return 0;
}

1.4 友元成员函数

在友元类的任何成员函数中都可以访问其他类的成员，但是友元成员函数把友元范围限制在一个成员函数中。

例如，类B的某个成员函数称为了类A的友元成员函数，这样类B的该成员函数就可以访问类A的所有成员了。

#include <iostream>

using namespace std;

// 3. 因为第二步中用到了类A，提前声明类A
class A;

// 2. 编写类B，并真正声明友元成员函数
class B
{
public:
    void func(A&);
};

class A
{
private:
    string str = "A私有";

    // 1. 确定友元的函数格式并“声明”
    friend void B::func(A&);
};

// 4. 类外定义友元成员函数
void B::func(A & a)
{
    //  cout << this->str << endl; 错误：this是B对象不是A对象
    cout << a.str << endl;
    a.str =  "我改了";
    cout << a.str << endl;
}


int main()
{
    A a;
    //    cout << a.str << endl; 错误
    B b;
    b.func(a);

    return 0;
}

二. 运算符重载

2.1 概念

如果把运算符看做是一个函数，则运算符也可以像函数一样重载。

C++中预定义的运算符的操作对象只能是基本数据类型。但实际上对于很多用户的自定义类型，也需要类似的运算操作、这时可以在C++中重新定义这些运算符，赋予已有运算符新的功能，使它能够用于特定类型，执行特定的操作。

可以被重载的运算符：

算术运算符：+、-、*、/、%、++、--

位操作运算符：&、|、~、^(位异或)、<<(左移)、>>(右移)

逻辑运算符：!、&&、||

比较运算符：<、>、>=、<=、==、!=

赋值运算符：=、+=、-=、*=、/=、%=、&=、|=、^=、<<=、>>=

其他运算符：[]、()、->、,、new、delete、new[]、delete[]

不被重载的运算符：

成员运算符“.”、指针运算符“*”、三目运算符“? :”、sizeof、作用域“::”

2.2成员函数运算符重载

#include <iostream>
using namespace std;

class MyInt
{
private:
    int a;
public:
    MyInt(int a):a(a){}

    int get_int()
    {
        return a;
    }

    // + 运算符重载
    friend MyInt operator +(MyInt &i,MyInt &i2);
    friend MyInt operator ++(MyInt &i); // 前置自增
    friend MyInt operator ++(MyInt &i, int);    // 后置自增
};

// 友元函数 实现
MyInt operator +(MyInt &i,MyInt &i2)
{
    // int → MyInt 触发构造函数隐式调用
    return i.a + i2.a;
}

// 前置自增
MyInt operator ++(MyInt &i)
{
    return ++i.a;
}

// 后置自增
MyInt operator ++(MyInt &i, int)
{
    return i.a++;
}

int main()
{
    MyInt int1(2);
    MyInt int2(int1);   // 拷贝构造函数

    MyInt int3 = int1 + int2;

    cout << (int3++).get_int() << endl; // 4
    cout << int3.get_int() << endl; // 5

    return 0;
}

2.3 成员函数运算符重载

成员函数运算符重载相比于友元函数重载，最主要的区别在于，友元函数的第一个输出参数，在成员函数运算符重载中使用this指针代替。因此相同的运算符重载，成员函数运算符重载比友元函数运算符重载参数少一个。

#include <iostream>
using namespace std;

class MyInt
{
private:
    int a;
public:
    MyInt(int a):a(a){}

    int get_int()
    {
        return a;
    }


    MyInt operator +(MyInt &i2);
    
    MyInt operator ++();
    MyInt operator ++(int);
};

// 成员函数 类外实现
MyInt MyInt::operator +(MyInt &i2)
{
    // int → MyInt 触发构造函数隐式调用
    return this->a + i2.a;
}

// 前置自增
MyInt MyInt::operator ++()
{
    return ++this->a;
}



// 后置自增
MyInt MyInt::operator ++(int)
{
    return this->a++;
}

int main()
{
    MyInt int1(2);
    MyInt int2(int1);   // 拷贝构造函数

    MyInt int3 = int1 + int2;
    cout << (++int3).get_int() << endl;
    cout << int3.get_int() << endl;

    return 0;
}

2.4 特殊运算符重载

2.4.1 赋值运算符重载

除了之前学习的无参构造函数、拷贝构造函数、析构函数以外，如果程序员不手写，编译器就会给一个类添加赋值运算符重载函数。

#include <iostream>
using namespace std;

class MyInt
{
private:
    int a;
public:
    MyInt(int a):a(a){}

    int get_int()
    {
        return a;
    }

    // 编译器会自动添加赋值运算符重载函数
    MyInt & operator =(MyInt &i)
    {
        cout << "赋值运算符被调用了" << endl;    // 编译器自动添加的赋值运算符重载函数不会打印这句话
        this->a = i.a;
        return *this;
    }
};


int main()
{
    MyInt int1(2);

    MyInt int4(3);
    cout << int4.get_int() << endl;
    int4 = int1;    // 赋值运算符重载
    cout << int4.get_int() << endl;
    return 0;
}

当类中出现指针成员变量时，默认的赋值运算符重载函数会出现类似于浅拷贝构造函数的问题，因此也需要手动编写解决“浅拷贝”的问题。

【面试题】一个类什么都不写，编译器添加了那些代码？

无参构造函数、拷贝构造函数、析构函数、赋值运算符重载函数

2.4.2 类型转换运算符重载

必须使用成员函数运算符重载，且格式比较特殊。

#include <iostream>
using namespace std;

class MyInt
{
private:
    int a;
    string str = "hello";
public:
    MyInt(int a):a(a){}

    int get_int()
    {
        return a;
    }

    // 编译器会自动添加赋值运算符重载函数
    MyInt & operator =(MyInt &i)
    {
        cout << "赋值运算符被调用了" << endl;    // 编译器自动添加的赋值运算符重载函数不会打印这句话
        this->a = i.a;
        return *this;
    }

    // 类型转换运算符重载
    operator int()
    {
        return a;
    }

    operator string()
    {
        return str;
    }
};


int main()
{
    MyInt int1(2);
    int a = int1;
    string str = int1;
    cout << a << endl;
    cout << str << endl;

    return 0;
}

2.5 注意事项

● 重载的运算符限制在C++语言中已有的运算符范围，不能创建新的运算符。

● 运算符重载的本质也是函数重载，但是不支持函数参数默认值设定。

● 重载之后的运算符不能改变运算符的优先级和结合性，也不能改变运算符的操作数和语法结构。

● 运算符重载必须基于或包含自定义类型，即不能改变基本数据类型的运算符规则。

● 重载功能应该与原有功能类似，避免没有目的的滥用运算符重载。

● 一般情况下，双目运算符建议使用友元函数进行重载，单目运算符建议使用成员函数进行重载。

三、std::string 字符串类（熟悉）

字符串对象是一个特殊类型的容器，专门设计用于操作字符串。

#include <iostream>
#include <string.h>
using namespace std;

int main()
{
    string s;   // 创建一个空字符串
    // 判断是否为空
    cout << s.empty() << endl;  // 1

    // 隐式调用构造函数
    string s1 = "hello";
    cout << s1 << endl; // hello

    // 显式调用构造函数，等同于上面写法
    string s2("world");
    cout << s2 << endl;

    // ==、!=、<、> 都是判断编码
    cout << (s1 == s2) << endl; // 0
    cout << (s1 != s2) << endl; // 1
    cout << (s1 > s2) << endl;  // 0
    cout << (s1 < s2) << endl;  // 1


    // 拷贝构造函数
    string s3(s2);  // string s3 = s2;
    cout << s3 << endl;

    // 参数1：char *源字符串
    // 参数2：保留的字符数
    string s4("ABCDEFG",3);
    cout << s4 << endl; // ABC

    // 参数1：std::string 源字符串
    // 参数2：不保留的字符数
    string s5(s2,3);
    cout << s5 << endl; // ld

    // 参数1：字符的数量
    // 参数2：字符的内容char
    string s6(5,'a');
    cout << s6 << endl; // aaaaa

    // 交换
    cout << "原s5=" << s5 << " " << "原s6=" << s6 << endl;    // 原s5=ld 原s6=aaaaa
    swap(s5,s6);
    cout << "s5=" << s5 << " " << "s6=" << s6 << endl;  // s5=aaaaa s6=ld

    // 字符串拼接、连接
    string s7 = s5 + s6;
    cout << s7 << endl; // aaaaald


    // 向后追加字符串
    s7.append("jiajia");
    cout << s7 << endl; // aaaaaldjiajia


    // 向后追加单字符
    s7.push_back('s');
    cout << s7 << endl; // aaaaaldjiajias

    // 插入
    // 参数1：插入的位置
    // 参数2：插入的内容
    s7.insert(1,"234");
    cout << s7 << endl; // a234aaaaldjiajias

    // 删除字符串
    // 参数1：起始位置
    // 参数2：删除的字符数量
    s7.erase(2,5);
    cout << s7 << endl; // a2aldjiajias

    // 替换
    // 参数1：起始位置
    // 参数2：被替换的字符数
    // 参数3：替换的新内容
    s7.replace(0,3,"***");
    cout << s7 << endl; // ***ldjiajias

    // 清空
    s7.clear();
    cout << s7.length() << endl;    // 0

    // 直接赋值初始化（隐式调用构造函数）
    string s8 = "hahaha";
    cout << s8 << endl;

    // 重新赋值
    s8 = "ABCDEFGH";
    cout << s8 << endl; // ABCDEFGH


    // 参数1：拷贝的目标
    // 参数2：拷贝的字符数量
    // 参数3：拷贝的起始位置
    char arr[20] = {0};
    s8.copy(arr,6,1);
    cout << arr << endl;    // BCDEFG

    // C++string 到 c string 用到了C语言的strcpy
    // c_str C++的字符串转换成C语言的字符数组
    // c_str返回值类型是一个const char*
    char c[20] = {0};
    strcpy(c,s8.c_str());
    cout << c <<endl;   // ABCDEFGH

    return 0;
}

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