Как правильно перегружать операторы

Как правильно перегружать операторы

Перегрузка операторов (operator overloading) позволяет определить для объектов классов втроенные операторы, такие как +, -, * и т.д. Для определения оператора для объектов своего класса, необходимо определить функцию, название которой содержит слово operator и символ перегружаемого оператора. Функция оператора может быть определена как член класса, либо вне класса.

Перегрузить можно только те операторы, которые уже определены в C++. Создать новые операторы нельзя. Также нельзя изменить количество операндов, их ассоциативность, приоритет.

Если функция оператора определена как отдельная функция и не является членом класса, то количество параметров такой функции совпадает с количеством операндов оператора. Например, у функции, которая представляет унарный оператор, будет один параметр, а у функции, которая представляет бинарный оператор, — два параметра. Если оператор принимает два операнда, то первый операнд передается первому параметру функции, а второй операнд — второму параметру. При этом как минимум один из параметров должен представлять тип класса.

Формальное определение операторов в виде функций-членов класса:

Формальное определение операторов в виде функций, которые не являются членами класса:

Здесь ClassType представляет тип, для которого определяется оператор. Type — тип другого операнда, который может совпадать, а может и не совпадать с первым. ReturnType — тип возвращаемого результата, который также может совпадать с одним из типов операндов, а может и отличаться. Op — сама операция.

Рассмотрим пример с классом Counter, который хранит некоторое число:

Здесь в классе Counter определен оператор сложения, цель которого сложить два объекта Counter:

Текущий объект будет представлять левый операнд операции. Объект, который передается в функцию через параметр counter, будет представлять правый операнд операции. Здесь параметр функции определен как константная ссылка, но это необязательно. Также функция оператора определена как константная, но это тоже не обязательно.

Результатом оператора сложения является новый объект Counter, в котором значение value равно сумме значений value обоих операндов.

После опеределения оператора можно складывать два объекта Counter:

Подобным образом можно определить функцию оператора вне класса:

Если бинарный оператор определяется в виде внешней функции, как здесь, то он принимает два параметра. Первый параметр будет представлять левый операнд операции, а второй параметр — правый операнд.

Но по сравнению с предыдущим кодом здесь сделано еще пару изменений. Во-первых, внешняя функция естественно не может обращаться к приватным полям класса, поэтому для доступа к ним придется создавать отдельные функции, которые бы возвращали значения полей. Я для простоты просто сделал переменную value публичной. Другим решением в данном случае могло быть определение дружественной функции оператора. Второй момент — внешние функции оператора не могут быть константными. Поэтому гораздо определение операторов внутри класса имеет некоторые преимущества.

Стоит отметить, что необязательно возвращать объект класса. Это может быть и любой объект в зависимости от ситуации. И также мы можем определять дополнительные перегруженные функции операторов:

Здесь определена вторая версия оператора сложения, которая складывает объект Counter с числом и возвращает также число. Поэтому левый операнд операции должен представлять тип Counter, а правый операнд — тип int.

Какие операторы где переопределять? Операторы присвоения, индексирования ([]), вызова (()), доступа к члену класса по указателю (->) следует определять в виде функций-членов класса. Операторы, которые изменяют состояние объекта или непосредственно связаны с объектом (инкремент, декремент), обычно также определяются в виде функций-членов класса. Операторы выделения и удаления памяти ( new new[] delete delete[] ) определяются только в виде функций, которые не являются членами класса. Все остальные операторы можно определять как отдельные функции, а не члены класса.

Операторы сравнения

Результатом операторов сравнения ( == , != , < , > ), как правило, является значение типа bool . Например, перегрузим данные операторы для типа Counter:

По умолчанию будут сравниваться все поля класса, для которых определен оператор ==. Если значения всех полей будут равны, то оператор возвратить true

Операторы присвоения

Оператор присвоения обычно возвращает ссылку на свой левый операнд:

Унарные операции

Унарные операции обычно возвращают новый объект, созданный на основе имеющегося. Например, возьмем операцию унарного минуса:

Здесь операция унарного минуса возвращает новый объект Counter, значение value в котором фактически равно значению value текущего объекта, умноженного на -1.

Операции инкремента и декремента

Особую сложность может представлять переопределение операций инкремента и декремента, поскольку нам надо определить и префиксную, и постфиксную форму для этих операторов. Определим подобные операторы для типа Counter:

Префиксные операторы должны возвращать ссылку на текущий объект, который можно получить с помощью указателя this:

В самой функции можно определить некоторую логику по инкременту значения. В данном случае значение value увеличивается на 1.

Постфиксные операторы должны возвращать значение объекта до инкремента, то есть предыдущее состояние объекта. Поэтому постфиксная форма возвращает копию объекта до инкремента:

Чтобы постфиксная форма отличалась от префиксной постфиксные версии получают дополнительный параметр типа int, который не используется. Хотя в принципе мы можем его использовать.

Переопределение оператора <<

оператор << принимает два аргумента: ссылку на объект потока (левый операнд) и фактическое значение для вывода (правый операнд). Затем он возвращает новую ссылку на поток, которую можно передать при следующем вызове оператора << в цепочке.

Стандартный выходной поток cout имеет тип std::ostream . Поэтому первый параметр (левый операнд) представляет объект ostream , а второй (правый операнд) — выводимый объект Counter. Поскольку мы не можем изменить стандартное определение std::ostream, поэтому определяем функцию оператора, которая не является членом класса.

В данном случае для выводим значение переменной value. Для получения значения value извне класса Counter я добавил функцию getValue() .

Возвращаемое значение всегда должно быть ссылкой на тот же объект потока, на который ссылается левый операнд оператора.

После определения функции оператора можно выводить на консоль объекты Counter:

Выражение одних операторов через другие

Иногда более оптимально выражать одни операторы через другие, нежели создавать отдельно операторы с повторяющейся логикой. Например:

Здесь вначале реализован оператор сложения с присвоением +=:

В функции оператора сложения мы создаем копию текущего объекта и к этой копии и аргументу применяем оператор +=:

В данном случае суть сложения: к полю value прибавляем значение value другого объекта. Однако логика оператора может быть более сложной, и чтобы не повторяться, мы можем таким образом выражать одни операторы через другие.

C++
Перегрузка оператора

В C ++ можно определить операторы, такие как + и -> для пользовательских типов. Например, заголовок <string> определяет оператор + для конкатенации строк. Это делается путем определения операторной функции с использованием ключевого слова operator .

замечания

Операторы для встроенных типов не могут быть изменены, операторы могут быть перегружены только для пользовательских типов. То есть, по крайней мере, один из операндов должен быть определенного пользователем типа.

Следующие операторы не могут быть перегружены:

• Доступ к члену или «точка» .
• Указатель на оператор доступа к члену .*
• Оператор разрешения области, ::
• Тройной условный оператор, ?:
• dynamic_cast , static_cast , reinterpret_cast , const_cast , typeid , sizeof , alignof и noexcept
• Директивы предварительной обработки, # и ## , которые выполняются перед любой информацией типа, доступны.

Есть некоторые операторы, которых вы не должны (99,98% времени) перегрузки:

• && и || (вместо этого следует использовать неявное преобразование в bool )
• ,
• Адрес-оператор (унарный & )

Зачем? Потому что они перегружают операторы, которых не может ожидать другой программист, что приводит к поведению, чем ожидалось.

Например, пользователь определил && и || перегрузки этих операторов теряют свою оценку короткого замыкания и теряют свое особые свойства секвенирования (C ++ 17) , вопрос секвенирования также относится и к , оператор перегрузка.

Арифметические операторы

Вы можете перегрузить все основные арифметические операторы:

• + и +=
• — и -=
• * и *=
• / и /=
• & and &=
• | и |=
• ^ и ^=
• >> и >>=
• << и <<=

Перегрузка для всех операторов одинакова. Прокрутите вниз для объяснения

Перегрузка вне class / struct :

Перегрузка внутри class / struct :

Примечание: operator+ должен возвращаться неконстантным значением, поскольку возврат ссылки не имеет смысла (он возвращает новый объект) и не возвращает значение const (вы, как правило, не должны возвращать const ). Первый аргумент передается по значению, почему? Так как

1. Вы не можете изменить исходный объект ( Object foobar = foo + bar; не следует изменять foo конце концов, это не имеет смысла)
2. Вы не можете сделать его const , потому что вам нужно будет иметь возможность изменять объект (потому что operator+ реализован в терминах operator+= , который изменяет объект)

Передача const& будет вариантом, но тогда вам придется сделать временную копию переданного объекта. Переходя по значению, компилятор делает это за вас.

operator+= возвращает ссылку на себя, потому что тогда можно связать их (не используйте одну и ту же переменную, хотя это будет неопределенное поведение из-за точек последовательности).

Первый аргумент — это ссылка (мы хотим ее изменить), но не const , потому что тогда вы не сможете ее изменить. Второй аргумент не должен быть изменен, поэтому аргумент производительности передается командой const& (передача по заданию const быстрее, чем по значению).

Унарные операторы

Вы можете перегрузить два унарных оператора:

• ++foo и foo++
• —foo и foo—

Перегрузка одинакова для обоих типов ( ++ и — ). Прокрутите вниз для объяснения

Перегрузка вне class / struct :

Перегрузка внутри class / struct :

Примечание. Оператор префикса возвращает ссылку на себя, чтобы продолжить работу над ним. Первый аргумент — это ссылка, поскольку оператор префикса меняет объект, это также причина, по которой он не const (вы не смогли бы его изменить иначе).

Постфиксный оператор возвращает по значению временное (предыдущее значение), и поэтому он не может быть ссылкой, так как это будет ссылка на временную, которая будет значением мусора в конце функции, поскольку временная переменная гаснет объема). Он также не может быть const , потому что вы должны иметь возможность изменять его напрямую.

Первый аргумент — это const ссылка на объект «вызов», потому что если он был const , вы не сможете его модифицировать, и если бы это не было ссылкой, вы не изменили бы исходное значение.

Это из-за копирования, необходимого для перегрузки операторов postfix, что лучше сделать привычкой использовать prefix ++ вместо postfix ++ in for циклов. С for точки контура, они , как правило , функционально эквивалентны, но может быть небольшое преимущество в производительности с использованием префикса ++, особенно с «тучные» классов с большим количеством участников для копирования. Пример использования префикса ++ в цикле for:

Операторы сравнения

Вы можете перегрузить все операторы сравнения:

• == и !=
• > и <
• >= и <=

Рекомендуемый способ перегрузить все эти операторы — это реализовать только 2 оператора ( == и < ), а затем использовать их для определения остальных. Прокрутите вниз для объяснения

Перегрузка вне class / struct :

Перегрузка внутри class / struct :

Операторы, очевидно, возвращают bool , указав true или false для соответствующей операции.

Все операторы принимают свои аргументы const& потому, что единственное, что делают операторы, — это сравнивать, поэтому они не должны изменять объекты. Проходя мимо & (ссылка) быстрее , чем по значению, и , чтобы убедиться , что операторы не изменяют его, это const -reference.

Обратите внимание, что операторы внутри class / struct определены как const , причина в том, что без функций const , сравнение объектов const будет невозможно, поскольку компилятор не знает, что операторы ничего не изменяют.

Операторы преобразования

Вы можете перегружать операторы типа, чтобы ваш тип мог быть неявно преобразован в указанный тип.

Оператор преобразования должен быть определен в class / struct :

Примечание: оператор const является const позволяющей преобразовывать объекты const .

Оператор индексирования массива

Вы даже можете перегрузить оператор индексирования массива [] .

Вы всегда должны (99.98% времени) реализовывать 2 версии, версию const и not- const , потому что, если объект const , он не должен изменять объект, возвращенный [] .

Аргументы передаются const& вместо значения, потому что передача по ссылке быстрее, чем по значению, и const чтобы оператор не менял индекс случайно.

Операторы возвращаются по ссылке, потому что по дизайну вы можете изменить объект [] return, то есть:

Вы можете перегружать только внутри class / struct :

Множественные индексы, [][]. , могут быть достигнуты через прокси-объекты. Следующий пример простого строкового матричного класса демонстрирует следующее:

Оператор вызова функции

Вы можете перегрузить оператор вызова функции () :

Перегрузка должна выполняться внутри class / struct :

Оператор присваивания

Оператор присваивания является одним из наиболее важных операторов, поскольку он позволяет изменять статус переменной.

Если вы не перегружаете оператор-ассистент для своего class / struct , он автоматически генерируется компилятором: автоматически созданный оператор присваивания выполняет «членное присвоение», то есть путем вызова операторов присваивания всем членам, так что один объект копируется другому, член в момент времени. Оператор присваивания должен быть перегружен, когда простое назначение по порядку не подходит для вашего class / struct , например, если вам нужно выполнить глубокую копию объекта.

Перегрузка оператора присваивания = легко, но вы должны выполнить несколько простых шагов.

1. Тест для самостоятельного назначения. Эта проверка важна по двум причинам:
   • самоназначение — это ненужная копия, поэтому нет смысла ее выполнять;
   • следующий шаг не будет работать в случае самоопределения.
2. Очистите старые данные. Старые данные должны быть заменены новыми. Теперь вы можете понять вторую причину предыдущего шага: если содержимое объекта было уничтожено, самоопределение не сможет выполнить копию.
3. Скопируйте всех участников. Если вы перегружаете оператор-ассистент для своего class или вашей struct , он не генерируется автоматически компилятором, поэтому вам нужно будет взять на себя ответственность за копирование всех членов из другого объекта.
4. Верните *this . Оператор возвращает себя по ссылке, потому что он позволяет связывать (т. int b = (a = 6) + 4; //b == 10 ).

Примечание: other передается const& потому, что назначаемый объект не должен быть изменен, а передача по ссылке быстрее, чем по значению, и чтобы убедиться, что operator= не модифицирует его случайно, это const .

Оператор присваивания может только быть перегружен в class / struct , так как слева значение = всегда class / struct сама по себе. Из-за этого определение этой функции как свободной функции не имеет этой гарантии.

Когда вы объявляете его в class / struct , левое значение неявно является самим class / struct , поэтому с этим не возникает никаких проблем.

Побитовый оператор NOT

Перегрузка побитового NOT (

) довольно проста. Прокрутите вниз для объяснения

Перегрузка вне class / struct :

Перегрузка внутри class / struct :

возвращает значение, потому что он должен возвращать новое значение (измененное значение), а не ссылку на значение (это будет ссылка на временный объект, который будет иметь значение мусора в нем, как только оператор выполнен). Не const потому что вызывающий код должен иметь возможность модифицировать его впоследствии (т. int a =

a + 1; должно быть возможно).

Внутри class / struct вы должны сделать временный объект, потому что вы не можете изменить this , как бы изменить исходный объект, который не должен быть так.

Операторы сдвига битов для ввода / вывода

Операторы << и >> обычно используются как операторы «write» и «read»:

• std::ostream перегружает << для записи переменных в базовый поток (пример: std::cout )
• std::istream overloads >> читать из базового потока в переменную (пример: std::cin )

То, как они это делают, аналогично, если вы хотели перегрузить их «нормально» вне class / struct , за исключением того, что указание аргументов не одного типа:

• Тип возврата — это поток, который вы хотите перегрузить (например, std::ostream ), переданный по ссылке, чтобы обеспечить цепочку (Chaining: std::cout << a << b; ). Пример: std::ostream&
• lhs будет таким же, как тип возврата
• rhs типа вы хотите разрешить перегрузку из (т.е. T ), принятый const& вместо значения по причине производительности ( rhs не должны быть изменены в любом случае). Пример: const Vector& .

Сложные номера

В приведенном ниже коде реализована очень простая сложная тип номера, для которой автоматически создается базовое поле, следуя правилам продвижения типа языка, при применении четырех основных операторов (+, -, * и /) с членом другого поля (будь то другой complex<T> или некоторый скалярный тип).

Это предназначено для целостного примера, охватывающего перегрузку оператора наряду с основным использованием шаблонов.

Именованные операторы

Вы можете расширить C ++ с помощью именованных операторов, которые «цитируются» стандартными операторами C ++.

Сначала мы начинаем с десятичной библиотеки:

это еще ничего не делает.

Во-первых, добавляющие векторы

Ядро здесь состоит в том, что мы определяем объект append типа append_t:named_operator::make_operator<append_t> .

Затем мы перегружаем named_invoke (lhs, append_t, rhs) для типов, которые мы хотим, справа и слева.

Библиотека перегружает lhs*append_t , возвращая временный объект half_apply . Он также перегружает half_apply*rhs для вызова named_invoke( lhs, append_t, rhs ) .

Нам просто нужно создать правильный токен append_t и сделать ADL-friendly named_invoke соответствующей подписи, и все будет работать и работать.

Для более сложного примера предположим, что вы хотите иметь элементарное умножение элементов std :: array:

Этот элементный код массива может быть расширен для работы с кортежами или парами или массивами C-стиля или даже с контейнерами переменной длины, если вы решите, что делать, если длины не совпадают.

Вы также можете использовать тип элементарного типа и получить lhs *element_wise<'+'>* rhs .

Написание *dot* и *cross* продуктов также очевидны.

Использование * может быть расширено для поддержки других разделителей, таких как + . Прецизионность метрики определяет точность упомянутого оператора, что может быть важным при переводе физических уравнений на C ++ с минимальным использованием дополнительных () s.

С небольшим изменением в библиотеке выше мы можем поддерживать операторы ->*then* и расширять std::function до обновляемого стандарта или писать monadic ->*bind* . У него также может быть оператор с именем stateful, где мы тщательно передаем Op до последней функции invoke, разрешая:

Перегрузка в C++. Часть II. Перегрузка операторов

Продолжаем серию «C++, копаем вглубь». Цель этой серии — рассказать максимально подробно о разных особенностях языка, возможно довольно специальных. Эта статья посвящена перегрузке операторов. Особое внимание уделено использованию перегруженных операторов в стандартной библиотеке. Это вторая статья из серии, первая, посвященная перегрузке функций и шаблонов, находится здесь. Следующая статья будет посвящена перегрузке операторов управления памятью.

Оглавление

Введение

Перегрузка операторов (operator overloading) — это возможность применять встроенные операторы языка к разным типам, в том числе и пользовательским. На самом деле, это достаточно старая идея. Уже в первых языках программирования символы арифметических операций: + , — , etc. использовались для операций над целыми и вещественными числами, несмотря на то, что они имеют разный размер и разное внутреннее представление и, соответственно, эти операции реализованы по разному. С появлением объектно-ориентированных языков эта идея получила дальнейшее развитие. Если операции над пользовательскими типами имеют сходную семантику с операциями над встроенными типами, то почему бы не использовать синтаксис встроенных операторов. Это может повысить читаемость кода, сделать его более лаконичным и выразительным, упростить написание обобщенного кода. В C++ перегрузка операторов имеет серьезную поддержку и активно используется в стандартной библиотеке.

1. Общие вопросы перегрузки операторов

1.1. Перегружаемые операторы

В C++17 стандарт разрешает перегружать следующие операторы: + , — , * , / , % , ^ , & , | ,

, ! , , , = , < , > , <= , >= , ++ , –- , << , >> , == , != , && , || , += , -= , /= , %= , ^= , &= , |= , *= , <<= , >>= , [] , () , -> , ->* , new , new[] , delete , delete[] .
(Обратим внимание на то, что этот список не менялся с C++98.) Последние четыре оператора, связанные с распределением памяти, в данной статье не рассматриваются, эта довольно специальная тема будет рассмотрена в следующей статье. Остальные операторы можно разделить на унарные, бинарные и оператор () , который может иметь произвольное число параметров. Операторы + , — , * , & , ++ , –- имеют два варианта (иногда семантически совершенно разных) — унарный и бинарный, так, что фактически перегружаемых операторов на 6 больше.

1.2. Общие правила при выборе перегружаемого оператора

При перегрузке операторов надо стараться, чтобы смысл перегруженного оператора был очевиден для пользователя. Хороший пример перегрузки в этом смысле — это использование операторов + и += для конкатенации экземпляров std::basic_string<> . Оригинальное решение используется в классе std::filesystem::path (C++17). В этом классе операторы / и /= перегружены для конкатенации элементов пути. Конечно к делению это никакого отношения не имеет, но зато этот символ оператора совпадает с традиционным разделителем элементов пути. Запоминается с первого раза.

Необходимо учитывать приоритет и ассоциативность операторов, они при перегрузке не меняются и должны соответствовать ожиданиям пользователя. Характерный пример — это использование оператора << для вывода данных в поток. К сожалению, приоритет этого оператора довольно высок, поэтому скобками приходится пользоваться чаще, чем хотелось бы. Например

Проблема усугубляется наличием неявного преобразования от std::сout к void* , из-за чего эти инструкции компилируются без ошибок и предупреждений. По-хорошему, приоритет оператора записи данных в поток должен быть очень низким, на уровне оператора присваивания. Например оператор += подошел бы по смыслу и приоритету, но, увы, он правоассоциативный, а для вывода в поток нужен левоассоциативный оператор.

1.3. Операторы, не рекомендуемые для перегрузки

Не рекомендуется перегружать следующие три бинарных оператора: , (запятая), && , || . Дело в том, что для них стандарт предусматривает порядок вычисления операндов (слева направо), а для последних двух еще и так называемую семантику быстрых вычислений (short-circuit evaluation), но для перегруженных операторов это уже не гарантируется или просто бессмысленно, что может оказаться весьма неприятной неожиданностью для программиста. (Семантика быстрых вычислений, называемая еще закорачиванием, заключается в том, для оператора && второй операнд не вычисляется, если первый равен false , а для оператора || второй операнд не вычисляется, если первый равен true .)

Также не рекомендуется перегружать унарный оператор & (взятие адреса). Тип с перегруженным оператором & опасно использовать с шаблонами, так как они могут использовать стандартную семантику этого оператора. Правда в С++11 появилась стандартная функция (точнее шаблон функции) std::addressof() , которая умеет получать адрес без оператора & и правильно написанные шаблоны должны использовать именно эту функцию вместо встроенного оператора.

1.4. Интерфейс и семантика перегруженных операторов

Стандарт регламентирует не все детали реализации перегруженных операторов. При реализации почти всегда можно произвольно выбирать тип возвращаемого значения, для бинарных операторов тип одного из параметров. Тем не менее, весьма желательно, чтобы перегруженные операторы максимально близко воспроизводили интерфейс и семантику соответствующих встроенных операторов. В этом случае поведение кода, использующего перегруженные операторы, было бы максимально похожим на поведение кода, использующего встроенные операторы. Например, оператор присваивания должен возвращать ссылку на левый операнд, которая может быть использована как правый операнд в другом присваивании. В этом случае становятся допустимыми привычные выражения типа a=b=c . Операторы сравнения должны возвращать bool и не изменять операнды. Унарные операторы + , — ,

должны возвращать модифицированное значение и не изменять операнд. Если реализация оператора возвращает объект по значению, то его часто объявляют константным. Это предотвращает модификацию возвращаемого значения, что позволяет предотвратить ряд синтаксических странностей, которых нет при использовании встроенных операторов (подробнее см. [Sutter1]). Но если возвращаемый тип является перемещаемым, то его нельзя объявлять константным, так как это ломает всю семантику перемещения. Другие примеры будут рассмотрены далее.

1.5. Реализация перегрузки операторов

1.5.1. Два варианта реализации перегрузки операторов

Операторы можно перегружать в двух вариантах: как функцию-член и как свободную (не-член) функцию. Четыре оператора можно перегрузить только как функцию-член — это = , -> , [] , () . Для перечислений операторы можно перегружать только как свободные функции.

Для того, чтобы перегрузить оператор как функцию-член необходимо объявить нестатическую функцию-член с именем operator@ , где @ символ(ы) оператора. В случае перегрузки унарного оператора эта функция не должна иметь параметров, а в случае бинарного должна иметь ровно один параметр. В случае перегрузки оператора () эта функция может иметь произвольное число параметров.

Для того, чтобы перегрузить оператор как свободную (не-член) функцию, необходимо объявить функцию с именем operator@ , где @ символ(ы) оператора. В случае перегрузки унарного оператора, эта функция должна иметь один параметр, а в случае бинарного должна иметь два параметра. В случае перегрузки бинарного оператора — по крайней мере один из двух параметров, а в случае унарного единственный параметр должен быть того же типа (или типа ссылки), что и тип, для которого реализуется перегрузка. Так же эта функция должна находится в том же пространстве имен, что и тип, для которого реализуется перегрузка. Вот пример:

Среди операторов, которые можно перегружать двумя способами, унарные операторы и присваивающие версии бинарных операторов обычно перегружают как функцию-член, а оставшиеся бинарные операторы как свободные функции.

1.5.2. Две формы использования перегруженных операторов

Использовать перегруженный оператор можно в двух формах (нотациях): инфиксной и функциональной. Инфиксная форма как раз и есть привычный синтаксис использования операторов.

Вот пример для класса из предыдущего раздела (будем считать, что код находится вне пространства имен N ):

Инфиксная форма, конечно, используется чаще, собственно ради нее и реализована перегрузка операторов. В ряде случаев, например, в контейнерах или в алгоритмах используется только инфиксная нотация. Но иногда удобно (и даже необходимо) использовать и функциональную форму, например для устранения неоднозначности. (Типичный пример — это вызов соответствующего оператора базового класса.) Особенности функциональной формы для оператора -> будут рассмотрены далее, в разделе, посвященном этому оператору.

Обратим внимание на то, что при использовании перегруженных операторов работает поиск, зависимый от типа аргумента (argument depended lookup, ADL), без него это использование, особенно в инфиксной форме, было бы весьма неудобно в случае, когда класс, для которого перегружается оператор, находится в другом пространстве имен. Вполне возможно, что ADL и появился в основном для решения этой проблемы.

1.5.3. Одновременное использование двух вариантов реализации перегрузки

Оператор, для которого возможна реализация в виде свободной функции, может быть перегружен одновременно как функция-член и как свободная функция. В этом случае при использовании инфиксной формы может возникнуть неоднозначность. Конечно, если такие перегрузки различаются параметрами, то компилятор сможет сделать выбор по типу аргументов. Но при одинаковых параметрах возникнет ошибка. Понятно, что подобной ситуации лучше избегать. Но если такое случилось, то помочь сможет только функциональная форма.

2. Дополнительные подробности реализации перегрузки операторов

2.1. Множественная перегрузка

Один и тот же оператор можно перегрузить несколько раз. Для унарных операторов может быть всего два варианта — с квалификатором const и без него (для функций-членов), или варианты с параметром типа константная ссылка или обычная ссылка (для свободных функций). Для бинарных операторов и оператора () количество перегрузок не ограничено.

Например для std::string бинарный оператор + перегружен несколько раз: в одной версии оба параметра имеет тип const std::string& , в других один из параметров имеет тип const char* .

В разделе 3.4.2 рассматривается множественная перегрузка оператора () .

Бинарные операторы и оператор () могут быть шаблонами, что по существу является множественной перегрузкой.

2.2. Особенности перегрузки операторов с использованием свободных функций

Рассмотрим несколько ситуаций, когда перегрузка операторов с использованием свободных функций предпочтительней или, вообще, безальтернативна.

2.2.1. Симметрия

Одна из причин по которой для бинарных операторов свободные функции могут оказаться предпочтительными — это симметрия. Часто желательно, чтобы если корректным выражением является x@y , то корректным выражением было бы и y@x для любых допустимых типов. Для свободных функций мы можем выбирать произвольный тип первого операнда, когда как в случае функции-члена мы этого лишены. В качестве примера можно привести оператор + для std::string , когда один из операндов имеет тип const char* .

2.2.2. Расширение интерфейса класса

Перегрузка бинарных операторов с использованием свободных функций позволяет расширять интерфейс класса без добавления новых функций-членов. (Напомним, что интерфейс класса включает не только функции-члены, но и свободные функции с параметрами тип которых определяется этим классом.) В качестве примера можно привести перегрузку операторов вставки и извлечения из потока. Если бы мы для перегрузки этих операторов использовали функции-члены, то нам бы пришлось для каждого нового типа, вставляемого в поток или извлекаемого из потока, добавлять в потоковые классы соответствующие функции-члены, что понятное дело невозможно. Подробнее про перегрузку операторов вставки и извлечения из потока см. раздел 3.8.

2.2.3. Неявные преобразования

Еще одна причина по которой перегрузка с использованием свободных функций может оказаться предпочтительней — это неявные преобразования. Если оператор перегружен для некоторого класса X с использованием свободных функций, то этот оператор автоматически становится перегруженным для любого класса, имеющего неявное преобразование к X . Это справедливо как для унарных, так и для бинарных операторов. Для операторов, перегруженных как функция-член, это не всегда так. Вот пример.

Операторы вставки и извлечения из потока не перегружены для std::reference_wrapper<int> , но этот класс имеет неявное преобразование к int& , поэтому приведенный код компилируется и выполняется. Правда проблемы могут возникнуть, если перегруженный оператор является шаблоном, так как при конкретизации шаблона функции неявные преобразования не используются. В этом случае может помочь прием с определением оператора как дружественной свободной функции внутри шаблона, рассмотренный в разделе 2.3.

2.2.4. Перечисления

Для перечислений операторы можно перегружать только как свободные функции, так как у перечислений просто не может быть функций-членов, пример см. в разделе 2.6.

2.3. Определение дружественной свободной функции внутри класса

Часто свободным функциям, реализующим оператор, целесообразно иметь доступ к закрытым членам класса и поэтому их объявляют дружественными. Напомним, что синтаксис дружественных функций позволяет разместить их определение непосредственно в теле класса.

Такой стиль подчеркивает связь оператора с классом и позволяет сделать определение более лаконичным. В случае шаблонов этот прием не только делает определение более лаконичным, но и расширяет функциональность оператора, позволяет использовать неявные преобразования аргументов, которые недоступны при определении шаблона функции вне класса. Поэтому его можно использовать, даже когда не нужен доступ к закрытым членам. Рассмотрим пример, являющийся небольшой переработкой примера из [Meyers1]. В этом примере бинарный оператор + определен внутри класса с использованием ключевого слова friend , а бинарный оператор — определен вне класса.

Определение оператора + позволяет использовать закрытые члены класса. Но это еще не все, такое определение дает возможность при сложении использовать неявное преобразование от T к Rational , определенное в классе с помощью конструктора с одним параметром. Вот пример:

В последних двух инструкциях мы складываем объекты типа Rational со значениями типа int . К аргументам типа int применяется неявное преобразование от int к Rational , инструкции компилируются и выполняются без ошибки.

Попробуем теперь использовать оператор — .

В обоих случаях компилятор выдает ошибку, неявное преобразование от int к Rational в данном случае не работает. Для того, что бы эти инструкции были корректными, надо добавить еще два варианта перегрузки оператора — :

Подробнее см. [Meyers1].

2.4. Вычислительные конструкторы

Если оператор возвращает объект по значению, иногда целесообразно определить специальный закрытый конструктор, называемый вычислительным конструктором (computational constructor). В этом случае компилятор сможет применить оптимизацию возвращаемого значения (return value optimization, RVO). Подробнее см. [Dewhurst].

2.5. Виртуальные операторы

Если оператор перегружен как функция-член, его можно объявить виртуальным. Реализация оператора, перегруженного как свободная функция, может использовать виртуальные функции параметров (своего рода идиома NVI – non virtual interface). Но «философия» перегрузки операторов плохо согласуется с полиморфизмом. Полиморфные объекты обычно доступны через указатели. В инфиксной форме вызов оператора можно сделать только через ссылку, поэтому приходится использовать не очень изящные выражения, например *a+*b . При реализации некоторых бинарных операторов, перегруженных как свободная функция (например + ), приходится реализовывать двойную диспетчеризацию, а это не очень просто (паттерн Visitor). Оператор присваивания не рекомендуется делать виртуальным, про это написано довольно много, см. например [Dewhurst]. Присваивание является неполиморфной по своей сути операцией. В общем, можно сказать, что виртуальные перегруженные операторы — это не самая лучшая идея.

2.6. Перегрузка операторов для перечислений

Операторы, перегружаемые как свободная функция, можно перегрузить для перечислений. Вот пример:

Теперь перебрать все элементы перечисления можно так:

Перегрузим еще один оператор

Теперь перебрать все элементы перечисления можно с помощью стандартного алгоритма:

И еще один вариант. Определим класс:

После этого перебрать все элементы перечисления можно с помощью диапазонного for :

3. Особенности перегрузки некоторых операторов

В этом разделе описываются особенности перегрузки некоторых операторов, особое внимание уделяется использованию этих перегрузок в стандартной библиотеке.

3.1. Оператор ->

Этот оператор является унарным и может быть реализован только как функция-член (обычно константная). Он должен возвращать либо указатель на класс (структуру, объединение), либо тип, для которого перегружен оператор -> . Перегрузка этого оператора используется для «указателеподобных» типов — интеллектуальных указателей и итераторов. Вот пример:

В стандартной библиотеке оператор -> перегружен для интеллектуальных указателей и итераторов.

3.2. Унарный оператор *

Этот унарный оператор часто перегружают в паре с оператором -> . Как правило, он возвращает ссылку на элемент, указатель на который возвращает оператор -> . Этот оператор обычно реализуется как константная функция-член.

В стандартной библиотеке оператор * перегружен для интеллектуальных указателей и итераторов.

3.3. Оператор []

Этот бинарный оператор, который обычно называют индексатором, может быть реализован только, как функция-член, которая должна иметь ровно один параметр. Тип этого параметра произвольный, соответственно, перегрузок может быть несколько, для разных типов параметра. Индексатор обычно перегружается для «массивоподобных» типов, а также для других контейнеров, например ассоциативных массивов. Возвращаемое значение обычно является ссылкой на элемент контейнера. Также, в принципе, может быть возврат по значению, но следует иметь в виду, что при этом для получения адреса элемента нельзя будет использовать выражения &х[i] , допустимые для встроенного индексатора. Такое выражение не будет компилироваться, если возвращаемый тип встроенный, и будет давать адрес временного объекта для пользовательского возвращаемого типа.

Индексатор часто перегружают в двух вариантах — константном и неконстантном.

Первая версия позволяет модифицировать элемент, вторая только прочитать и она будет выбрана для константных экземпляров и в константных функциях-членах.

В стандартной библиотеке индексатор перегружен для последовательных контейнеров std::vector<> , std::array<> , std::basic_string<> , std::deque<> и ассоциативных контейнеров std::map<> , std::unordered_map<> . Специализация для массивов интеллектуального указателя std::unique_ptr<> также перегружает индексатор.

3.3.1. Многомерные массивы

C++ поддерживает только одномерные массивы, то есть выражение a[i,j] некорректно, но многомерность моделируется в виде «массива массивов», то есть можно использовать выражение a[i][j] . Этот синтаксис несложно поддержать для пользовательских индексаторов с помощью промежуточного прокси-класса. Вот пример простого шаблона матрицы.

3.4. Оператор ()

Этот оператор можно реализовать только как функцию-член. Он может иметь любое число параметров любого типа, тип возвращаемого значения также произвольный. Классы, с перегруженным оператором () , называются функциональными, их экземпляры называются функциональными объектами или функторами. Функциональные классы и объекты играют очень важную роль в программировании на C++ и в частности активно используются в стандартной библиотеке. Именно с помощью таких классов и объектов в C++ реализуется парадигма функционального программирования. Функциональные классы и объекты, используемые в стандартной библиотеке, в зависимости от назначения имеют свои названия: предикаты, компараторы, хеш-функции, аккумуляторы, удалители. В зависимости от контекста использования, стандартная библиотека предъявляет определенные требования к функциональным классам. Экземпляры этих классов должны быть копируемыми по значению, не модифицировать аргументы, не иметь побочных эффектов и изменяемое состояние (чистые функции), соответственно реализация перегрузки оператора () обычно является константной функцией-членом. Есть исключение — алгоритм std::for_each() , для него функциональный объект может модифицировать аргумент и иметь изменяемое состояние.

3.4.1. Локальные определения и лямбда-выражения

В C++ нельзя определить функцию локально (в блоке). Но можно определить локальный класс и этот класс может быть функциональным. Столь популярные в народе лямбда-выражения как раз и представляют из себя средство для быстрого и удобного определения анонимного локального функционального класса на «на лету».

3.4.2. Мультифункциональные типы и объекты

Функциональный класс может иметь несколько вариантов перегрузки оператора () , с разными параметрами. Такие классы и соответствующие объекты можно назвать мультифункциональными. Пример использования мультифункциональных объектов в стандартной библиотеке приведен в Приложении А.

3.4.3. Хеш-функция

Неупорядоченные контейнеры ( std::unordered_set<> , std::unordered_multiset<> , std::unordered_map<> , std::unordered_multimap<> ) требуют для своей работы функциональные объекты, которые реализуют вычисление хеш-функции для элементов контейнера или ключей. Такие контейнеры предусматривают шаблонный параметр функционального типа для реализации вычисления хеш-функции. Для этого типа перегруженный оператор () должен принимать ссылку на элемент или ключ и возвращать хеш-значение типа std::size_t . Если пользователь не задал необходимый функциональный тип, контейнер предоставляет необходимый тип по умолчанию. Для этого используются шаблон класса std::hash<> , которые конкретизируются для типа элементов контейнера или ключа. Этот шаблон специализирован для числовых типов, указателей и некоторых стандартных типов. Для типов, не имеющих специализации, программист должен самостоятельно реализовать хеш-функцию. Это можно сделать двумя способами.

1. Определить полную специализацию этого шаблона.
2. Определить нужный функциональный класс и передать его в качестве шаблонного аргумента при конкретизации шаблона контейнера.

В Приложении Б приводится пример решения для C-строк на основе полной специализации стандартного шаблона.

3.4.4. Сравнение элементов и ключей в контейнерах

Ассоциативные и неупорядоченные контейнеры требуют для своей работы функциональные объекты, которые реализуют необходимые операции сравнения для элементов контейнера или ключей. Такие контейнеры предусматривают шаблонный параметр функционального типа для реализации необходимых операций. Для этого типа перегруженный оператор () должен иметь два параметра, ссылки на элементы или ключи, и возвращать bool . Если пользователь не задал необходимый функциональный тип, контейнер предоставляет необходимый тип по умолчанию. Для этого используются шаблоны std::less<> и std::equal_to<> , которые конкретизируются для типа элементов контейнера. Первый из них для реализации необходимой функциональности использует встроенный или перегруженный оператор < , второй встроенный или перегруженный оператор == .

Шаблон std::less<> используется для сравнения по умолчанию элементов или ключей в ассоциативных контейнерах std::set<> , std::multiset<> , std::map<> , std::multimap<> , а также в контейнере std::priority_queue<> .

Шаблон std::equal_to<> используется для сравнения по умолчанию элементов или ключей в неупорядоченных контейнерах std::unordered_set<> , std::unordered_multiset<> , std::unordered_map<> , std::unordered_multimap<> .

Если для использования некоторого типа в контейнере стандартной библиотеки требуется изменить или определить сравнение элементов этого типа, то существует три способа решить эту проблему.

1. Перегрузить оператор сравнения, который будет использован по умолчанию. Этот способ не подходит для встроенных типов, если нужно сравнение, отличное от стандартного, и для пользовательских типов, у которых нужный оператор уже перегружен (но не так как надо).
2. Определить полную специализацию стандартных функциональных шаблонов, используемых для сравнения по умолчанию.
3. Определить нужный функциональный класс и передать его в качестве шаблонного аргумента при конкретизации шаблона контейнера.

В Приложении Б приводится пример решения для C-строк на основе полной специализации стандартного шаблона.

3.4.5. Удалители в интеллектуальных указателях

Деструктор интеллектуального указателя должен освободить объект, которым владеет. Для этого используется функциональный объект, называемый удалителем (deleter). Соответствующий функциональный тип перегружает оператор () который должен принимать указатель на объект и не возвращать значение. Для std::unique_ptr<> по умолчанию используется шаблон std::default_delete<> , который конкретизируются для типа управляемого объекта и для его удаления использует оператор delete (или delete[] в случае специализации для массивов). Для std::shared_ptr<> по умолчанию используется оператор delete . Если необходима иная операция освобождения объекта, то необходимо определить свой функциональный тип. Это можно сделать двумя способами.

1. Для std::unique_ptr<> определить полную специализацию стандартного шаблона-удалителя.
2. Определить функциональный класс и использовать его или его экземпляры в качестве аргумента при создании интеллектуального указателя в соответствии с синтаксисом инициализации используемого интеллектуального указателя.

Полную специализацию стандартного шаблона-удалителя можно также использовать и для std::shared_ptr<> , для этого экземпляр этого удалителя надо передать вторым аргументом в конструктор std::shared_ptr<> .

3.4.6. Алгоритмы

Алгоритмы стандартной библиотеки активно используют функциональные объекты и, соответственно, многие из них имеют параметр функционального типа. Часто алгоритмы имеют версию без такого параметра, в этом случае для реализации необходимых операций используется оператор (встроенный или перегруженный), определенный для элементов диапазона.

Если не задан необходимый функциональный объект, то оператор < используется по умолчанию в алгоритме std::lexicographical_compare() , который сравнивает диапазоны, в алгоритмах поиска минимума/максимума ( min_element() , etc), в алгоритмах, связанных с сортировкой и отсортированными данными ( std::sort() , etc), в алгоритмах, связанных с пирамидой ( std::make_heap() , etc).

Оператор == используется по умолчанию в алгоритме std::equal() , который сравнивает диапазоны, в алгоритме std::count() , который подсчитывает количество заданных элементов, в алгоритмах поиска ( std::find() , etc), в алгоритмах std::replace() и std::remove() , которые модифицируют диапазон.

Оператор + используется по умолчанию в алгоритме accumulate() . (Подробнее см. Приложение А.)

Если для использования некоторого типа в алгоритме стандартной библиотеки требуется изменить или определить необходимые операции для элементов этого типа, то существует два способа решить эту проблему.

1. Перегрузить оператор, который будет использован по умолчанию. Такой способ не всегда подходит, это обсуждалось выше.
2. Определить нужный функциональный класс или функцию, и использовать их как аргумент алгоритма. (В этом случае часто используют лямбда-выражение.)

Пример для алгоритма сортировки C-строк приведен в Приложение Б.

3.4.7. Функциональный шаблон

В C++11 появился универсальный функциональный шаблон. Он конкретизируется типом функции и перегружает оператор () в соответствии с сигнатурой функции. Экземпляры конкретизации можно инициализировать указателем на функцию, функциональным объектом или лямбда-выражением с соответствующей сигнатурой. Вот пример.

3.5. Операторы сравнения

Операторы сравнения перегружают как свободные функции с двумя аргументами. Перегруженный оператор не должен изменять операнды и должен возвращать bool .

Чаще всего пользовательские типы перегружают операторы < и == , для того чтобы элементы этого типа можно было хранить в контейнерах и использовать в алгоритмах. Об этом достаточно много говорилось в предыдущем разделе. Но для корректной работы контейнеров и алгоритмов операторы должны удовлетворять определенным критериям (см. [Josuttis]). Для оператора < это следующие свойства: антисимметричность (если x<y равно true , то y <x равно false ), транзитивность (если x<y и y<z , то x<z ), иррефлексивность ( x<x всегда равно false ), транзитивная эквивалентность (если !(x<y) && !(y<x) и !(y<z) && !(z<y) , то !(x<z) && !(z<x) ). Для оператора == это следующие свойства: симметричность (если x==y , то y==x ), транзитивность ( если x==y и y==z , то x==z ), рефлексивность ( x==x всегда равно true ). Естественно, что встроенные операторы отвечают этим критериям. Если для контейнеров и алгоритмов используются пользовательские функциональный типы, то они должны отвечать этим же критериям.

Рассмотрим теперь перегрузку остальных операторов сравнения. Встроенные операторы сравнения являются сильно зависимыми. Базовыми являются операторы < и == , остальные можно выразить через них переставляя операнды и используя встроенный оператор ! . Естественно, что при перегрузке операторов сравнения надо поступать таким же образом. Специально для этого в пространстве имен std::rel_ops таким способом определены операторы <= , > , >= , != . (Заголовочный файл <utility> .) Вот пример использования этих операторов.

Перегружать зависимые операторы для класса не обязательно, можно использовать операторы из std::rel_ops непосредственно, для этого надо воспользоваться using -директивой:

В стандартной библиотеке полный набор операторов сравнения — < , <= , > , >= , == , != , перегружают контейнеры и интеллектуальные указатели, а также некоторые более специальные классы: std::thread::id , std::type_index , std::monostate . Контейнеры для реализации этих перегрузок используют соответствующие операторы для элементов, если элементы не поддерживают операцию, возникает ошибка. Интеллектуальные указатели используют соответствующие встроенные операторы для указателей.

Операторы == и != перегружают std::error_code , std::bitset . Также эти операторы является частью стандартного интерфейса любого итератора, а оператор < является частью стандартного интерфейса итераторов произвольного доступа.

3.6. Арифметические операторы

Бинарные операторы арифметических операций обычно перегружают в паре с соответствующим присваивающим оператором, например + и += . Первый перегружают как свободную функцию с двумя аргументами, второй — как функцию-член. Унарные операторы, + , — , перегружают как функцию-член. Вот пример.

Унарные операторы + , — не должны изменять операнд (в отличии от инкремента и декремента) и должны возвращать результат по значению. Такую семантику имеют встроенные версии этих операторов. Свободная функция, реализующая бинарный оператор, также не изменяет операндов и возвращает результат по значению. Присваивающая версия реализована как функция-член, которая не изменяет второй операнд и возвращает *this . В данном примере возвращаемый тип для операторов + и += объявлен константным, причина описана в разделе 1.4.1, но это надо делать только, если тип X не поддерживает семантику перемещения, в противном случае const надо убрать.

В бинарных операторах тип операндов может не совпадать. Например для строк один из операндов может быть C-строкой, для итераторов произвольного доступа второй операнд является сдвигом. Но в таком случае надо подумать о симметрии (см. раздел 2.2).

В стандартной библиотеке полный набор арифметических операторов перегружает std::complex<> . Операторы + , += , — , -= перегружают итераторы произвольного доступа. В std::basic_string<> операторы + и += перегружаются для реализации конкатенации. Оригинальное решение используется в классе std::filesystem::path (C++17). В этом классе операторы / и /= перегружены для конкатенации элементов пути. Конечно к делению это никакого отношения не имеет, но зато этот символ оператора совпадает с традиционном разделителем элементов пути. Запоминается с первого раза.

3.7. Инкремент, декремент

Эти операторы являются частью стандартного интерфейса итератора. Префиксные формы являются унарными операторами, постфиксные бинарными с фиктивным вторым параметром целого типа. Обе они обычно реализуются как функции-члены и постфиксный вариант определяется через префиксный. Вот типичная реализация инкремента.

Итераторы являются копируемыми типами без поддержки перемещения, поэтому постфиксный инкремент должен возвращать константный объект, это предотвращает модификацию возвращаемого значения, см. раздел 1.4.

В стандартной библиотеке инкремент перегружают все итераторы, а декремент двунаправленные итераторы и итераторы произвольного доступа.

3.8. Операторы << и >>

Перегрузка этих операторов используется в стандартной библиотеке для вставки объектов в текстовой поток и извлечения объектов из текстового потока (поэтому в этом качестве их еще называют оператором вставки в поток и оператором извлечения из потока). Перегружаются они всегда как свободные функции, их сигнатура подчиняется правилам: первый операнд является ссылкой на поток, второй операнд является ссылкой на вставляемый или извлекаемый объект, возвращаемое значение является ссылкой на поток. Вот пример.

Главная проблема этих перегрузок — довольно высокий приоритет операторов, поэтому скобками приходится пользоваться чаще, чем хотелось бы. Проблема усугубляется наличием неявного преобразования потоковых типов к void* , из-за чего компилятор может не выдавать ошибок. Примеры см. в разделе 1.2.

3.9. Оператор присваивания

Оператор присваивания можно реализовать только, как функцию-член, которая должна иметь ровно один параметр. Тип этого параметра произвольный, соответственно, перегрузок может быть несколько, для разных типов параметра. Перегрузка оператора присваивания является составной частью поддержки семантики копирования/перемещения и к ней приходится прибегать достаточно часто. Оператор присваивания практически всегда идет в паре с конструктором, имеющим один параметр. Нормальная ситуация — это когда каждому конструктору с одним параметром прилагается соответствующий оператор присваивания. Если описать семантику присваивания «на пальцах», то присваивание должно полностью освободить все текущие ресурсы, которыми владеет объект (левый операнд), и на его месте создать новый объект, определяемый правым операндом.

Среди операторов присваивания выделяются два стандартных — оператор копирующего присваивания и оператор перемещающего присваивания, которые соответствуют копирующему конструктору и перемещающему конструктору.

Обратим внимание на то, что для перемещающих операций крайне желательно гарантировать, чтобы они не выбрасывали исключений. Такие функции-члены надо объявлять как noexcept .

Стандартные операторы присваивания могут быт сгенерированы компилятором. Для этого при объявлении надо использовать конструкцию «=default» .

Компилятор может сгенерировать стандартные операторы присваивания и без такой подсказки. Если это не желательно, то можно явно запретить такую генерацию, объявив эти операторы удаленными.

Рассмотрим теперь вопрос реализации операторов присваивания. Оператор присваивания обычно возвращает ссылку на текущий объект, то есть *this . Это нужно для того, чтобы для стандартных операторов присваивания были допустимыми выражения типа a=b=c . Наиболее прогрессивный вариант реализации операторов присваивания — это использование идиомы «копирование и обмен». Для этого в классе должна быть определена функция-член обмена состояниями, которая не должна выбрасывать исключений.

И тогда операторы присваивания реализуются с помощью соответствующего конструктора и функции обмена состояниями следующим образом:

Аналогично можно определить оператор присваивания, соответствующий любому другому конструктору с одним параметром.
Главное достоинства этой идиомы состоит в обеспечении строгой гарантии безопасности исключений: если в конструкторе произошло исключение, то объект останется в том же состоянии, что и до начала операции (транзакционная семантика).

Если идиома «копирование и обмен» не используется, то необходима проверка на самоприсваивание.

Также, в случае наследования, надо вызвать соответствующий оператор базового класса. Еще одно достоинство идиомы «копирование и обмен» как раз и состоит в том, что она корректно работает при самоприсваивании, хотя, конечно, и не оптимально.

Ну и, наконец, рассмотрим довольно известную антиидиому для реализации присваивания.

В этом случае сначала явно вызывается деструктор для this , потом с помощью размещающего new на месте, куда указывает this , создается новый объект. На первый взгляд этот код соответствует описанию семантики оператора, приведенной в начале раздела, но если разобраться, то он имеет существенные дефекты. Если конструктор выбрасывает исключение, то место в памяти, на которое указывает this , превращается в кусок памяти, содержимое которого не определено. Любая попытка использовать объект закончится неопределенным поведением. Другая проблема возникает, когда X является базовым классом для какого-нибудь другого класса и деструктор класса X виртуальный. В этом случае this->

X() уничтожает объект производного класса, что может полностью сломать взаимодействие базового класса и производного. Никогда так не делайте.

Оператор копирующего присваивания и оператор перемещающего присваивания (вместе с соответствующим конструктором) приходится перегружать практически всегда, когда нужна нестандартная семантика копирования/перемещения. (Запрет копирующего или перемещающего присваивания также можно рассматривать как перегрузку.) Также оператор присваивания обычно перегружается, как парный для конструктора с одним параметром. Практически все классы стандартной библиотеки перегружают операторы присваивания.

3.10. Оператор !

Этот унарный оператор иногда перегружают для того чтобы проверять, не является ли объект не инициализированным. Он должен возвращать true , если объект не инициализирован («пустой», «нулевой»). В настоящее время такое решение не очень популярно. Сейчас чаще используют explicit преобразование к bool , с противоположной семантикой, оно должно возвращать true , если объект инициализирован.

4. Итоги

Тщательно продумывайте перегрузку операторов. Она должна повысить наглядность и читаемость кода, но не наоборот.

При реализации перегрузки оператора учитывайте интерфейс и семантику встроенного оператора.

Приложения

Приложение А. Пример использования мультифункциональных объектов

Первый пример относится к шаблону std::variant<> (C++17). Шаблон функции std::visit() в качестве первого параметра используют мультифункциональный класс, у которого оператор () перегружен для всех типов конкретизации std::variant<> , а второй параметр является этой самой конкретизацией. Вызов std::visit() обеспечивает вызов версии оператора () мультифункционального объекта, соответствующей фактическому типу std::variant<> . Вот пример.

Другой пример относится к алгоритму std::reduce() (C++17). Этот алгоритм является параллельной версией алгоритма std::accumulate() . Рассмотрим сначала старый std::accumulate() .

BinOper — это функциональный тип, совместимой с сигнатурой

Первый параметр имеет тип T — аккумулирующий тип, второй параметр имеет тип S — тип элементов последовательности, возвращаемое значение имеет типа T . В простейших случаях, таких как сумма, T и S могут совпадать, но в общем случае это не так. Алгоритм последовательно вызывает функциональный объект для всех элементов последовательности, передавая их как второй аргумент, а в качестве первого аргумента использует результат вызова на предыдущим шаге. На первом шаге используется init . Это исключительно последовательный алгоритм, поэтому в C++17 добавили алгоритм std::reduce() , решающий ту же задачу, но с поддержкой распараллеливания.

Ключевое отличие BinOper от аналогичного в std::accumulate() — это то, что BinOper должен поддерживать несколько сигнатур:

Приложение Б. Хэш-функция и сравнение для C-строк

C-строки — строки с завершающим нулем, — обычно представляются типом T* или const T* , где T один из символьных типов ( char , wchar_t , etc). Но соответствующие конкретизации std::hash<> , std::less<> и std::equal_to<> будут рассматривать этот тип как указатель, игнорируя содержимое строки, что в большинстве случаев неприемлемо. Вот пример возможного решения.

Функция hash_combine() — это хорошо известная функция из библиотеки Boost. Она может быть использована при создании других пользовательских хеш-функций.

Ну и, наконец, пример сортировки C-строк в котором используется лямбда-выражение для определения нужного функционального объекта.

Список литературы

[Josuttis]
Джосаттис, Николаи М. Стандартная библиотека C++: справочное руководство, 2-е изд.: Пер. с англ. — М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2014.
[Dewhurst]
Дьюхэрст, Стефан К. Скользкие места C++. Как избежать проблем при проектировании и компиляции ваших программ.: Пер. с англ. — М.: ДМК Пресс, 2012.
[Meyers1]
Мэйерс, Скотт. Эффективное использование C++. 55 верных способов улучшить структуру и код ваших программ.: Пер. с англ. — М.: ДМК Пресс, 2014.
[Sutter1]
Саттер, Герб. Решение сложных задач на C++.: Пер. с англ. — М: ООО «И.Д. Вильямс», 2015.

15. Перегруженные операторы и определенные пользователем преобразования

В главе 15 мы рассмотрим два вида специальных функций: перегруженные операторы и определенные пользователем преобразования. Они дают возможность употреблять объекты классов в выражениях так же интуитивно, как и объекты встроенных типов. В этой главе мы сначала изложим общие концепции проектирования перегруженных операторов. Затем представим понятие друзей класса со специальными правами доступа и обсудим, зачем они применяются, обратив особое внимание на то, как реализуются некоторые перегруженные операторы: присваивание, взятие индекса, вызов, стрелка для доступа к члену класса, инкремент и декремент, а также специализированные для класса операторы new и delete. Другая категория специальных функций, которая рассматривается в этой главе, – это функции преобразования членов (конвертеры), составляющие набор стандартных преобразований для типа класса. Они неявно применяются компилятором, когда объекты классов используются в качестве фактических аргументов функции или операндов встроенных или перегруженных операторов. Завершается глава развернутым изложением правил разрешения перегрузки функций с учетом передачи объектов в качестве аргументов, функций-членов класса и перегруженных операторов.

15.1. Перегрузка операторов

В предыдущих главах мы уже показывали, что перегрузка операторов позволяет программисту вводить собственные версии предопределенных операторов (см. главу 4) для операндов типа классов. Например, в классе String из раздела 3.15 задано много перегруженных операторов. Ниже приведено его определение:

String(); // набор перегруженных операторов присваивания String& operator=( const String & ); String& operator=( const char * ); // перегруженный оператор взятия индекса char& operator[]( int ); // набор перегруженных операторов равенства // str1 == str2; bool operator==( const char * ); bool operator==( const String & ); // функции доступа к членам int size() < return _size; >; char * c_str() < return _string; >private: int _size; char *_string; >;

В классе String есть три набора перегруженных операторов. Первый – это набор операторов присваивания:

// набор перегруженных операторов присваивания String& operator=( const String & ); String& operator=( const char * );

Сначала идет копирующий оператор присваивания. (Подробно они обсуждались в разделе 14.7.) Следующий оператор поддерживает присваивание C-строки символов объекту типа String:

String name; name = «Sherlock»; // использование оператора operator=( char * )

(Операторы присваивания, отличные от копирующих, мы рассмотрим в разделе 15.3.)

Во втором наборе есть всего один оператор – взятия индекса:

// перегруженный оператор взятия индекса char& operator[]( int );

Он позволяет программе индексировать объекты класса String точно так же, как массивы объектов встроенного типа:

if ( name[0] != ‘S’ ) cout <<«увы, что-то не так\n»;

(Детально этот оператор описывается в разделе 15.4.)

В третьем наборе определены перегруженные операторы равенства для объектов класса String. Программа может проверить равенство двух таких объектов или объекта и C-строки:

// набор перегруженных операторов равенства // str1 == str2; bool operator==( const char * ); bool operator==( const String & );

Перегруженные операторы позволяют использовать объекты типа класса с операторами, определенными в главе 4, и манипулировать ими так же интуитивно, как объектами встроенных типов. Например, желая определить операцию конкатенации двух объектов класса String, мы могли бы реализовать ее в виде функции-члена concat(). Но почему concat(), а не, скажем, append()? Выбранное нами имя логично и легко запоминается, но пользователь все же может забыть, как мы назвали функцию. Зачастую имя проще запомнить, если определить перегруженный оператор. К примеру, вместо concat() мы назвали бы новую операцию operator+=(). Такой оператор используется следующим образом:

#include «String.h» int main()

Перегруженный оператор объявляется в теле класса точно так же, как обычная функция-член, только его имя состоит из ключевого слова operator, за которым следует один из множества предопределенных в языке C++ операторов (см. табл. 15.1). Так можно объявить operator+=() в классе String:

и определить его следующим образом:

15.1.1. Члены и не члены класса

Рассмотрим операторы равенства в нашем классе String более внимательно. Первый оператор позволяет устанавливать равенство двух объектов, а второй – объекта и C-строки:

При первом использовании оператора равенства в main() вызывается перегруженный operator==(const char *) класса String. Однако на второй инструкции if компилятор выдает сообщение об ошибке. В чем дело?

Перегруженный оператор, являющийся членом некоторого класса, применяется только тогда, когда левым операндом служит объект этого класса. Поскольку во втором случае левый операнд не принадлежит к классу String, компилятор пытается найти такой встроенный оператор, для которого левым операндом может быть C-строка, а правым – объект класса String. Разумеется, его не существует, поэтому компилятор говорит об ошибке.

Но можно же создать объект класса String из C-строки с помощью конструктора класса. Почему компилятор не выполнит неявно такое преобразование:

if ( String( «tulip» ) == flower ) //правильно: вызывается оператор-член

Причина в его неэффективности. Перегруженные операторы не требуют, чтобы оба операнда имели один и тот же тип. К примеру, в классе Text определяются следующие операторы равенства:

и выражение в main() можно переписать так:

if ( Text( «tulip» ) == flower ) // вызывается Text::operator==()

Следовательно, чтобы найти подходящий для сравнения оператор равенства, компилятору придется просмотреть все определения классов в поисках конструктора, способного привести левый операнд к некоторому типу класса. Затем для каждого из таких типов нужно проверить все ассоциированные с ним перегруженные операторы равенства, чтобы понять, может ли хоть один из них выполнить сравнение. А после этого компилятор должен решить, какая из найденных комбинаций конструктора и оператора равенства (если таковые нашлись) лучше всего соответствует операнду в правой части! Если потребовать от компилятора выполнения всех этих действий, то время трансляции программ C++ резко возрастет. Вместо этого компилятор просматривает только перегруженные операторы, определенные как члены класса левого операнда (и его базовых классов, как мы покажем в главе 19).

Разрешается, однако, определять перегруженные операторы, не являющиеся членами класса. При анализе строки в main(), вызвавшей ошибку компиляции, подобные операторы принимались во внимание. Таким образом, сравнение, в котором C-строка стоит в левой части, можно сделать корректным, если заменить операторы равенства, являющиеся членами класса String, на операторы равенства, объявленные в области видимости пространства имен:

bool operator==( const String &, const String & ); bool operator==( const String &, const char * );

Обратите внимание, что эти глобальные перегруженные операторы имеют на один параметр больше, чем операторы-члены. Если оператор является членом класса, то первым параметром неявно передается указатель this. То есть для операторов-членов выражение

переписывается компилятором в виде:

и на левый операнд flower в определении перегруженного оператора-члена можно сослаться с помощью this. (Указатель this введен в разделе 13.4.) В случае глобального перегруженного оператора параметр, представляющий левый операнд, должен быть задан явно.

bool operator==( const String &, const char * );

Непонятно, какой оператор вызывается для второго случая использования оператора равенства:

Мы ведь не определили такой перегруженный оператор:

bool operator==( const char *, const String & );

Но это необязательно. Когда перегруженный оператор является функцией в пространстве имен, то как для первого, так и для второго его параметра (для левого и правого операндов) рассматриваются возможные преобразования, т.е. компилятор интерпретирует второе использование оператора равенства как

operator==( String(«tulip»), flower );

и вызывает для выполнения сравнения следующий перегруженный оператор: bool operator==( const String &, const String & ); Но тогда зачем мы предоставили второй перегруженный оператор:

bool operator==( const String &, const char * );

Преобразование типа из C-строки в класс String может быть применено и к правому операнду. Функция main() будет компилироваться без ошибок, если просто определить в пространстве имен перегруженный оператор, принимающий два операнда String:

bool operator==( const String &, const String & );

Предоставлять ли только этот оператор или еще два:

bool operator==( const char *, const String & ); bool operator==( const String &, const char * );

зависит от того, насколько велики затраты на преобразование из C-строки в String во время выполнения, то есть от “стоимости” дополнительных вызовов конструктора в программах, пользующихся нашим классом String. Если оператор равенства будет часто использоваться для сравнения C-строк и объектов , то лучше предоставить все три варианта. (Мы вернемся к вопросу эффективности в разделе, посвященном друзьям.

Подробнее о приведении к типу класса с помощью конструкторов мы расскажем в разделе 15.9; в разделе 15.10 речь пойдет о разрешении перегрузки функций с помощью описанных преобразований, а в разделе 15.12 – о разрешении перегрузки операторов.)

• если перегруженный оператор является членом класса, то он вызывается лишь при условии, что левым операндом служит член этого класса. Если же левый операнд имеет другой тип, оператор обязан быть членом пространства имен;
• язык требует, чтобы операторы присваивания («=»), взятия индекса («[]»), вызова («()») и доступа к членам по стрелке («->») были определены как члены класса. В противном случае выдается сообщение об ошибке компиляции:

// ошибка: должен быть членом класса char& operator[]( String &, int ix );

(Подробнее оператор присваивания рассматривается в разделе 15.3, взятия индекса – в разделе 15.4, вызова – в разделе 15.5, а оператор доступа к члену по стрелке – в разделе 15.6.)

В остальных случаях решение принимает проектировщик класса. Симметричные операторы, например оператор равенства, лучше определять в пространстве имен, если членом класса может быть любой операнд (как в String).

Прежде чем закончить этот подраздел, определим операторы равенства для класса String в пространстве имен:

15.1.2. Имена перегруженных операторов

Перегружать можно только предопределенные операторы языка C++ (см. табл. 15.1).

Таблица 15.1. Перегружаемые операторы

Проектировщик класса не вправе объявить перегруженным оператор с другим именем. Так, при попытке объявить оператор ** для возведения в степень компилятор выдаст сообщение об ошибке.

Следующие четыре оператора языка C++ не могут быть перегружены:

Предопределенное назначение оператора нельзя изменить для встроенных типов. Например, не разрешается переопределить встроенный оператор сложения целых чисел так, чтобы он проверял результат на переполнение.

// ошибка: нельзя переопределить встроенный оператор сложения int int operator+( int, int );

Нельзя также определять дополнительные операторы для встроенных типов данных, например добавить к множеству встроенных операций operator+ для сложения двух массивов.

Перегруженный оператор определяется исключительно для операндов типа класса или перечисления и может быть объявлен только как член класса или пространства имен, принимая хотя бы один параметр типа класса или перечисления (переданный по значению или по ссылке).

Предопределенные приоритеты операторов (см. раздел 4.13) изменить нельзя. Независимо от типа класса и реализации оператора в инструкции

всегда сначала выполняется operator+, а затем operator==; однако помощью скобок порядок можно изменить.

Предопределенная арность операторов также должна быть сохранена. К примеру, унарный логический оператор НЕ нельзя определить как бинарный оператор для двух объектов класса String. Следующая реализация некорректна и приведет к ошибке компиляции:

// некорректно: ! — это унарный оператор bool operator!( const String &s1, const String &s2 )

Для встроенных типов четыре предопределенных оператора («+», «-«, «*» и «&») используются либо как унарные, либо как бинарные. В любом из этих качеств они могут быть перегружены.

Для всех перегруженных операторов, за исключением operator(), недопустимы аргументы по умолчанию.

15.1.3. Разработка перегруженных операторов

Операторы присваивания, взятия адреса и оператор “запятая” имеют предопределенный смысл, если операндами являются объекты типа класса. Но их можно и перегружать. Семантика всех остальных операторов, когда они применяются к таким операндам, должна быть явно задана разработчиком. Выбор предоставляемых операторов зависит от ожидаемого использования класса.

Начинать следует с определения его открытого интерфейса. Набор открытых функций-членов формируется с учетом операций, которые класс должен предоставлять пользователям. Затем принимается решение, какие функции стоит реализовать в виде перегруженных операторов.

• isEmpty() становится оператором “ЛОГИЧЕСКОЕ НЕ”, operator!().
• isEqual() становится оператором равенства, operator==().
• copy() становится оператором присваивания, operator=().

У каждого оператора есть некоторая естественная семантика. Так, бинарный + всегда ассоциируется со сложением, а его отображение на аналогичную операцию с классом может оказаться удобной и краткой нотацией. Например, для матричного типа сложение двух матриц является вполне подходящим расширением бинарного плюса.

Примером неправильного использования перегрузки операторов является определение operator+() как операции вычитания, что бессмысленно: не согласующаяся с интуицией семантика опасна.

Такой оператор одинаково хорошо поддерживает несколько различных интерпретаций. Безупречно четкое и обоснованное объяснение того, что делает operator+(), вряд ли устроит пользователей класса String, полагающих, что он служит для конкатенации строк. Если семантика перегруженного оператора неочевидна, то лучше его не предоставлять.

Эквивалентность семантики составного оператора и соответствующей последовательности простых операторов для встроенных типов (например, эквивалентность оператора +, за которым следует =, и составного оператора +=) должна быть явно поддержана и для класса. Предположим, для String определены как operator+(), так и operator=() для поддержки операций конкатенации и почленного копирования:

String s1( «C»); String s2( «++» ); s1 = s1 + s2; // s1 == «C++»

Но этого недостаточно для поддержки составного оператора присваивания

Его следует определить явно, так, чтобы он поддерживал ожидаемую семантику.

Почему при выполнении следующего сравнения не вызывается перегруженный оператор operator==(const String&, const String&):

Напишите перегруженные операторы неравенства, которые могут быть использованы в таких сравнениях:

String != String String != С-строка C-строка != String

Объясните, почему вы решили реализовать один или несколько операторов.

Выявите те функции-члены класса Screen, реализованного в главе 13 (разделы 13.3, 13.4 и 13.6), которые можно перегружать.

Объясните, почему перегруженные операторы ввода и вывода, определенные для класса String из раздела 3.15, объявлены как глобальные функции, а не функции-члены.

Реализуйте перегруженные операторы ввода и вывода для класса Screen из главы 13.

15.2. Друзья

Рассмотрим еще раз перегруженные операторы равенства для класса String, определенные в области видимости пространства имен. Оператор равенства для двух объектов String выглядит следующим образом:

bool operator==( const String &str1, const String &str2 )

Сравните это определение с определением того же оператора как функции-члена:

bool String::operator==( const String &rhs ) const

Нам пришлось модифицировать способ обращения к закрытым членам класса String. Поскольку новый оператор равенства – это глобальная функция, а не функция-член, у него нет доступа к закрытым членам класса String. Для получения размера объекта String и лежащей в его основе C-строки символов используются функции-члены size() и c_str().

Альтернативной реализацией является объявление глобальных операторов равенства друзьями класса String. Если функция или оператор объявлены таким образом, им предоставляется доступ к неоткрытым членам.

Объявление друга (оно начинается с ключевого слова friend) встречается только внутри определения класса. Поскольку друзья не являются членами класса, объявляющего дружественные отношения, то безразлично, в какой из секций – public, private или protected – они объявлены. В примере ниже мы решили поместить все подобные объявления сразу после заголовка класса:

В этих трех строчках три перегруженных оператора сравнения, принадлежащие глобальной области видимости, объявляются друзьями класса String, а следовательно, в их определениях можно напрямую обращаться к закрытым членам данного класса:

// дружественные операторы напрямую обращаются к закрытым членам // класса String bool operator==( const String &str1, const String &str2 ) < if ( str1._size != str2._size ) return false; return strcmp( str1._string, str2._string ) ? false : true; >inline bool operator==( const String &str, const char *s ) < return strcmp( str._string, s ) ? false : true; >// и т.д.

Можно возразить, что в данном случае прямой доступ к членам _size и _string необязателен, так как встроенные функции c_str() и size() столь же эффективны и при этом сохраняют инкапсуляцию, а значит, нет особой нужды объявлять операторы равенства для класса String его друзьями.

Как узнать, следует ли сделать оператор, не являющийся членом класса, его другом или воспользоваться функциями доступа? В общем случае разработчик должен сократить до минимума число объявленных функций и операторов, которые имеют доступ к внутреннему представлению класса. Если имеются функции доступа, обеспечивающие равную эффективность, то предпочтение следует отдать им, тем самым изолируя операторы в пространстве имен от изменений представления класса, как это делается и для других функций. Если же разработчик класса не предоставляет функций доступа для некоторых членов, а объявленный в пространстве имен оператор должен к этим членам обращаться, то использование механизма друзей становится неизбежным.

Наиболее часто такой механизм применяется для того, чтобы разрешить перегруженным операторам, не являющимся членами класса, доступ к его закрытым членам. Если бы не необходимость обеспечить симметрию левого и правого операндов, то перегруженный оператор был бы функцией-членом с полными правами доступа.

Хотя объявления друзей обычно употребляются по отношению к операторам, бывают случаи, когда функцию в пространстве имен, функцию-член другого класса или даже целый класс приходится объявлять таким образом. Если один класс объявлен другом второго, то все функции-члены первого класса получают доступ к неоткрытым членам другого. Рассмотрим это на примере функций, не являющихся операторами.

Класс должен объявлять другом каждую из множества перегруженных функций, которой он хочет дать неограниченные права доступа:

Если функция манипулирует объектами двух разных классов и ей нужен доступ к их неоткрытым членам, то такую функцию можно либо объявить другом обоих классов, либо сделать членом одного и другом второго.

Объявление функции другом двух классов должно выглядеть так:

Если же мы решили сделать функцию членом одного класса и другом второго, то объявления будут построены следующим образом:

Функция-член одного класса не может быть объявлена другом второго, пока компилятор не увидел определения ее собственного класса. Это не всегда возможно. Предположим, что Screen должен объявить некоторые функции-члены Window своими друзьями, а Window – объявить таким же образом некоторые функции-члена Screen. В таком случае весь класс Window объявляется другом Screen:

К закрытым членам класса Screen теперь можно обращаться из любой функции-члена Window.

Реализуйте операторы ввода и вывода, определенные для класса Screen в упражнении 15.5, в виде друзей и модифицируйте их определения так, чтобы они напрямую обращались к закрытым членам. Какая реализация лучше? Объясните почему.

15.3. Оператор =

Присваивание одного объекта другому объекту того же класса выполняется с помощью копирующего оператора присваивания. (Этот специальный случай был рассмотрен в разделе 14.7.)

Для класса могут быть определены и другие операторы присваивания. Если объектам класса надо присваивать значения типа, отличного от этого класса, то разрешается определить такие операторы, принимающие подобные параметры. Например, чтобы поддержать присваивание C-строки объекту String:

String car («Volks»); car = «Studebaker»;

мы предоставляем оператор, принимающий параметр типа const char*. Эта операция уже была объявлена в нашем классе:

Такой оператор реализуется следующим образом. Если объекту String присваивается нулевой указатель, он становится «пустым». В противном случае ему присваивается копия C-строки:

_string ссылается на копию той C-строки, на которую указывает sobj. Почему на копию? Потому что непосредственно присвоить sobj члену _string нельзя:

_string = sobj; // ошибка: несоответствие типов

sobj – это указатель на const и, следовательно, не может быть присвоен указателю на «не-const» (см. раздел 3.5). Изменим определение оператора присваивания:

String& String::operator=( const *sobj ) < // . >

Теперь _string прямо ссылается на C-строку, адресованную sobj. Однако при этом возникают другие проблемы. Напомним, что C-строка имеет тип const char*. Определение параметра как указателя на не-const делает присваивание невозможным:

car = «Studebaker»; // недопустимо с помощью operator=( char *) !

Итак, выбора нет. Чтобы присвоить C-строку объекту типа String, параметр должен иметь тип const char*.

Хранение в _string прямой ссылки на C-строку, адресуемую sobj, порождает и иные сложности. Мы не знаем, на что именно указывает sobj. Это может быть массив символов, который модифицируется способом, неизвестным объекту String. Например:

char ia[] = < 'd', 'a', 'n', 'c', 'e', 'r' >; String trap = ia; // trap._string ссылается на ia ia[3] = ‘g’; // а вот это нам не нужно: // модифицируется и ia, и trap._string

Если trap._string напрямую ссылался на ia, то объект trap демонстрировал бы своеобразное поведение: его значение может изменяться без вызова функций-членов класса String. Поэтому мы полагаем, что выделение области памяти для хранения копии значения C-строки менее опасно.

Обратите внимание, что в операторе присваивания используется delete. Член _string содержит ссылку на массив символов, расположенный в хипе. Чтобы предотвратить утечку, память, выделенная под старую строку, освобождается с помощью delete до выделения памяти под новую. Поскольку _string адресует массив символов, следует использовать версию delete для массивов (см. раздел 8.4).

И последнее замечание об операторе присваивания. Тип возвращаемого им значения – это ссылка на класс String. Почему именно ссылка? Дело в том, что для встроенных типов операторы присваивания можно сцеплять:

// сцепление операторов присваивания int iobj, jobj; iobj = jobj = 63;

Они ассоциируются справа налево, т.е. в предыдущем примере присваивания выполняются так:

Это удобно и при работе с объектами класса String: поддерживается, к примеру, следующая конструкция:

String ver, noun; verb = noun = «count»;

При первом присваивании из этой цепочки вызывается определенный ранее оператор для const char*. Тип полученного результата должен быть таким, чтобы его можно было использовать как аргумент для копирующего оператора присваивания класса String. Поэтому, хотя параметр данного оператора имеет тип const char *, возвращается все же ссылка на String.

Операторы присваивания бывают перегруженными. Например, в нашем классе String есть такой набор:

// набор перегруженных операторов присваивания String& operator=( const String & ); String& operator=( const char * );

Отдельный оператор присваивания может существовать для каждого типа, который разрешено присваивать объекту String. Однако все такие операторы должны быть определены как функции-члены класса.

15.4. Оператор взятия индекса

Оператор взятия индекса operator[]() можно определять для классов, представляющих абстракцию контейнера, из которого извлекаются отдельные элементы. Примерами таких контейнеров могут служить наш класс String, класс IntArray, представленный в главе 2, или шаблон класса vector, определенный в стандартной библиотеке C++. Оператор взятия индекса обязан быть функцией-членом класса.

У пользователей String должна иметься возможность чтения и записи отдельных символов члена _string. Мы хотим поддержать следующий способ применения объектов данного класса:

String entry( «extravagant» ); String mycopy; for ( int ix = 0; ix < entry.size(); ++ix ) mycopy[ ix ] = entry[ ix ];

Оператор взятия индекса может появляться как слева, так и справа от оператора присваивания. Чтобы быть в левой части, он должен возвращать l-значение индексируемого элемента. Для этого мы возвращаем ссылку:

#include <cassert> inine char& String::operator[]( int elem ) const

В следующем фрагменте нулевому элементу массива color присваивается символ ‘V’:

String color( «violet» ); color[ 0 ] = ‘V’;

Обратите внимание, что в определении оператора проверяется выход индекса за границы массива. Для этого используется библиотечная C-функция assert(). Можно также возбудить исключение, показывающее, что значение elem меньше 0 или больше длины C-строки, на которую ссылается _string. (Возбуждение и обработка исключений обсуждались в главе 11.)

15.5. Оператор вызова функции

Оператор вызова функции может быть перегружен для объектов типа класса. (Мы уже видели, как он используется, при рассмотрении объектов-функций в разделе 12.3.) Если определен класс, представляющий некоторую операцию, то для ее вызова перегружается соответствующий оператор. Например, для взятия абсолютного значения числа типа int можно определить класс absInt:

Перегруженный оператор operator() должен быть объявлен как функция-член с произвольным числом параметров. Параметры и возвращаемое значение могут иметь любые типы, допустимые для функций (см. разделы 7.2, 7.3 и 7.4). operator() вызывается путем применения списка аргументов к объекту того класса, в котором он определен. Мы рассмотрим, как он используется в одном из обобщенных алгоритмов, описанных в главе 12. В следующем примере обобщенный алгоритм transform() вызывается для применения определенной в absInt операции к каждому элементу вектора ivec, т.е. для замены элемента его абсолютным значением.

#include <vector> #include <algoritm> int main() < int ia[] = < -0, 1, -1, -2, 3, 5, -5, 8 >; vector<int > ivec( ia, ia+8 ); // заменить каждый элемент его абсолютным значением transform( ivec.begin(), ivec.end(), ivec.begin(), absInt() ); // . >

Первый и второй аргументы transform() ограничивают диапазон элементов, к которым применяется операция absInt. Третий указывает на начало вектора, где будет сохранен результат применения операции.

Четвертый аргумент – это временный объект класса absInt, создаваемый с помощью конструктора по умолчанию. Конкретизация обобщенного алгоритма transform(), вызываемого из main(), могла бы выглядеть так:

typedef vector<int >::iterator iter_type; // конкретизация transform() // операция absInt применяется к элементу вектора int iter_type transform( iter_type iter, iter_type last, iter_type result, absInt func ) < while ( iter != last ) *result++ = func( *iter++ ); // вызывается absInt::operator() return iter; >

func – это объект класса, который предоставляет операцию absInt, заменяющую число типа int его абсолютным значением. Он используется для вызова перегруженного оператора operator() класса absInt. Этому оператору передается аргумент *iter, указывающий на тот элемент вектора, для которого мы хотим получить абсолютное значение.

15.6. Оператор «стрелка»

Оператор «стрелка», разрешающий доступ к членам, может перегружаться для объектов класса. Он должен быть определен как функция-член и обеспечивать семантику указателя. Чаще всего этот оператор используется в классах, которые предоставляют «интеллектуальный указатель» (smart pointer), ведущий себя аналогично встроенным, но поддерживают и некоторую дополнительную функциональность.

Допустим, мы хотим определить тип класса для представления указателя на объект Screen (см. главу 13):

Определение ScreenPtr должно быть таким, чтобы объект этого класса гарантировано указывал на объект Screen: в отличие от встроенного указателя, он не может быть нулевым. Тогда приложение сможет пользоваться объектами типа ScreenPtr, не проверяя, указывают ли они на какой-нибудь объект Screen. Для этого нужно определить класс ScreenPtr с конструктором, но без конструктора по умолчанию (детально конструкторы рассматривались в разделе 14.2):

В любом определении объекта класса ScreenPtr должен присутствовать инициализатор – объект класса Screen, на который будет ссылаться объект ScreenPtr:

ScreenPtr p1; // ошибка: у класса ScreenPtr нет конструктора по умолчанию Screen myScreen( 4, 4 ); ScreenPtr ps( myScreen ); // правильно

Чтобы класс ScreenPtr вел себя как встроенный указатель, необходимо определить некоторые перегруженные операторы – разыменования (*) и “стрелку” для доступа к членам:

// перегруженные операторы для поддержки поведения указателя class ScreenPtr < public: Screen& operator*() < return *ptr; >Screen* operator->() < return ptr; >// . >; Оператор доступа к членам унарный, поэтому параметры ему не передаются. При использовании в составе выражения его результат зависит только от типа левого операнда. Например, в инструкции point->action(); исследуется тип point. Если это указатель на некоторый тип класса, то применяется семантика встроенного оператора доступа к члену. Если же это объект или ссылка на объект, то проверяется, есть ли в этом классе перегруженный оператор доступа. Когда перегруженный оператор «стрелка» определен, он вызывается для объекта point, иначе инструкция неверна, поскольку для обращения к членам самого объекта (в том числе по ссылке) следует использовать оператор «точка». Перегруженный оператор «стрелка» должен возвращать либо указатель на тип класса, либо объект класса, в котором он определен. Если возвращается указатель, то к нему применяется семантика встроенного оператора «стрелка». В противном случае процесс продолжается рекурсивно, пока не будет получен указатель или определена ошибка. Например, так можно воспользоваться объектом ps класса ScreenPtr для доступа к членам Screen: ps->move( 2, 3 ); Поскольку слева от оператора «стрелка» находится объект типа ScreenPtr, то употребляется перегруженный оператор этого класса, который возвращает указатель на объект Screen. Затем к полученному значению применяется встроенный оператор «стрелка» для вызова функции-члена move(). Ниже приводится небольшая программа для тестирования класса ScreenPtr. Объект типа ScreenPtr используется точно так же, как любой объект типа Screen*: #include <iostream> #include <string> #include «Screen.h» void printScreen( const ScreenPtr &ps ) < cout << "Screen Object ( " << ps->height() << ", " << ps->width() << " )\n\n"; for ( int ix = 1; ix <= ps->height(); ++ix ) < for ( int iy = 1; iy <= ps->width(); ++iy ) cout <<ps->get( ix, iy ); cout << "\n"; >> int main() < Screen sobj( 2, 5 ); string init( "HelloWorld" ); ScreenPtr ps( sobj ); // Установить содержимое экрана string::size_type initpos = 0; for ( int ix = 1; ix <= ps->height(); ++ix ) for ( int iy = 1; iy <= ps->width(); ++iy ) < ps->move( ix, iy ); ps->set( init[ initpos++ ] ); >// Вывести содержимое экрана printScreen( ps ); return 0; >

Разумеется, подобные манипуляции с указателями на объекты классов не так эффективны, как работа со встроенными указателями. Поэтому интеллектуальный указатель должен предоставлять дополнительную функциональность, важную для приложения, чтобы оправдать сложность своего использования.

15.7. Операторы инкремента и декремента

Продолжая развивать реализацию класса ScreenPtr, введенного в предыдущем разделе, рассмотрим еще два оператора, которые поддерживаются для встроенных указателей и которые желательно иметь и для нашего интеллектуального указателя: инкремент (++) и декремент (—). Чтобы использовать класс ScreenPtr для ссылки на элементы массива объектов Screen, туда придется добавить несколько дополнительных членов.

Сначала мы определим новый член size, который содержит либо нуль (это говорит о том, что объект ScreenPtr указывает на единственный объект), либо размер массива, адресуемого объектом ScreenPtr. Нам также понадобится член offset, запоминающий смещение от начала данного массива:

Модифицируем конструктор класса ScreenPtr с учетом его новой функциональности и дополнительных членов,. Пользователь нашего класса должен передать конструктору дополнительный аргумент, если создаваемый объект указывает на массив:

С помощью этого аргумента задается размер массива. Чтобы сохранить прежнюю функциональность, предусмотрим для него значение по умолчанию, равное нулю. Таким образом, если второй аргумент конструктора опущен, то член size окажется равен 0 и, следовательно, такой объект будет указывать на единственный объект Screen. Объекты нового класса ScreenPtr можно определять следующим образом:

Screen myScreen( 4, 4 ); ScreenPtr pobj( myScreen ); // правильно: указывает на один объект const int arrSize = 10; Screen *parray = new Screen[ arrSize ]; ScreenPtr parr( *parray, arrSize ); // правильно: указывает на массив

Теперь мы готовы определить в ScreenPtr перегруженные операторы инкремента и декремента. Однако они бывают двух видов: префиксные и постфиксные. К счастью, можно определить оба варианта. Для префиксного оператора объявление не содержит ничего неожиданного:

Такие операторы определяются как унарные операторные функции. Использовать префиксный оператор инкремента можно, к примеру, следующим образом: const int arrSize = 10; Screen *parray = new Screen[ arrSize ]; ScreenPtr parr( *parray, arrSize ); for ( int ix = 0; ix < arrSize; ++ix, ++parr ) // эквивалентно parr.operator++() > printScreen( parr );

Определения этих перегруженных операторов приведены ниже:

Чтобы отличить префиксные операторы от постфиксных, в объявлениях последних имеется дополнительный параметр типа int. В следующем фрагменте объявлены префиксные и постфиксные варианты операторов инкремента и декремента для класса ScreenPtr:

Ниже приведена возможная реализация постфиксных операторов:

Обратите внимание, что давать название второму параметру нет необходимости, поскольку внутри определения оператора он не употребляется. Компилятор сам подставляет для него значение по умолчанию, которое можно игнорировать. Вот пример использования постфиксного оператора:

const int arrSize = 10; Screen *parray = new Screen[ arrSize ]; ScreenPtr parr( *parray, arrSize ); for ( int ix = 0; ix < arrSize; ++ix) printScreen( parr++ );

При его явном вызове необходимо все же передать значение второго целого аргумента. В случае нашего класса ScreenPtr это значение игнорируется, поэтому может быть любым:

parr.operator++(1024); // вызов постфиксного operator++

Перегруженные операторы инкремента и декремента разрешается объявлять как дружественные функции. Изменим соответствующим образом определение класса ScreenPtr:

Напишите определения перегруженных операторов инкремента и декремента для класса ScreenPtr, предположив, что они объявлены как друзья класса.

С помощью ScreenPtr можно представить указатель на массив объектов класса Screen. Модифицируйте перегруженные operator*() и operator >() (см. раздел 15.6) так, чтобы указатель ни при каком условии не адресовал элемент перед началом или за концом массива. Совет: в этих операторах следует воспользоваться новыми членами size и offset.

15.8. Операторы new и delete

По умолчанию выделение объекта класса из хипа и освобождение занятой им памяти выполняются с помощью глобальных операторов new() и delete(), определенных в стандартной библиотеке C++. (Мы рассматривали эти операторы в разделе 8.4.) Но класс может реализовать и собственную стратегию управления памятью, предоставив одноименные операторы-члены. Если они определены в классе, то вызываются вместо глобальных операторов с целью выделения и освобождения памяти для объектов этого класса.

Определим операторы new() и delete() в нашем классе Screen.

Оператор-член new() должен возвращать значение типа void* и принимать в качестве первого параметра значение типа size_t, где size_t – это typedef, определенный в системном заголовочном файле . Вот его объявление:

Когда для создания объекта типа класса используется new(), компилятор проверяет, определен ли в этом классе такой оператор. Если да, то для выделения памяти под объект вызывается именно он, в противном случае – глобальный оператор new(). Например, следующая инструкция

Screen *ps = new Screen;

создает объект Screen в хипе, а поскольку в этом классе есть оператор new(), то вызывается он. Параметр size_t оператора автоматически инициализируется значением, равным размеру Screen в байтах.

Добавление оператора new() в класс или его удаление оттуда не отражаются на пользовательском коде. Вызов new выглядит одинаково как для глобального оператора, так и для оператора-члена. Если бы в классе Screen не было собственного new(), то обращение осталось бы правильным, только вместо оператора-члена вызывался бы глобальный оператор.

С помощью оператора разрешения глобальной области видимости можно вызвать глобальный new(), даже если в классе Screen определена собственная версия:

Screen *ps = ::new Screen;

Оператор delete(), являющийся членом класса, должен иметь тип void, а в качестве первого параметра принимать void*. Вот как выглядит его объявление для Screen:

Когда операндом delete служит указатель на объект типа класса, компилятор проверяет, определен ли в этом классе оператор delete(). Если да, то для освобождения памяти вызывается именно он, в противном случае – глобальная версия оператора. Следующая инструкция

освобождает память, занятую объектом класса Screen, на который указывает ps. Поскольку в Screen есть оператор-член delete(), то применяется именно он. Параметр оператора типа void* автоматически инициализируется значением ps. Добавление delete() в класс или его удаление оттуда никак не сказываются на пользовательском коде. Вызов delete выглядит одинаково как для глобального оператора, так и для оператора-члена. Если бы в классе Screen не было собственного оператора delete(), то обращение осталось бы правильным, только вместо оператора-члена вызывался бы глобальный оператор.

С помощью оператора разрешения глобальной области видимости можно вызвать глобальный delete(), даже если в Screen определена собственная версия:

В общем случае используемый оператор delete() должен соответствовать тому оператору new(), с помощью которого была выделена память. Например, если ps указывает на область памяти, выделенную глобальным new(), то для ее освобождения следует использовать глобальный же delete().

Оператор delete(), определенный для типа класса, может содержать два параметра вместо одного. Первый параметр по-прежнему должен иметь тип void*, а второй – предопределенный тип size_t (не забудьте включить заголовочный файл ):

Если второй параметр есть, компилятор автоматически инициализирует его значением, равным размеру адресованного первым параметром объекта в байтах. (Этот параметр важен в иерархии классов, когда оператор delete() может наследоваться производным классом. Подробнее наследование обсуждается в главе 17.)

Рассмотрим реализацию операторов new() и delete() в классе Screen более детально. В основе нашей стратегии распределения памяти будет лежать связанный список объектов Screen, на начало которого указывает член freeStore. При каждом обращении к оператору-члену new() возвращается следующий объект из списка. При вызове delete() объект возвращается в список. Если при создании нового объекта список, адресованный freeStore, пуст, то вызывается глобальный оператор new(), чтобы получить блок памяти, достаточный для хранения screenChunk объектов класса Screen.

Как screenChunk, так и freeStore представляют интерес только для Screen, поэтому мы сделаем их закрытыми членами. Кроме того, для всех создаваемых объектов нашего класса значения этих членов должны быть одинаковыми, а следовательно, нужно объявить их статическими. Чтобы поддержать структуру связанного списка объектов Screen, нам понадобится третий член next:

Вот одна из возможных реализаций оператора new() для класса Screen:

Оператор new() можно объявить в классе и без соответствующего delete(). В таком случае объекты освобождаются с помощью одноименного глобального оператора. Разрешается также объявить и оператор delete() без new(): объекты будут создаваться с помощью одноименного глобального оператора. Однако обычно эти операторы реализуются одновременно, как в примере выше, поскольку разработчику класса, как правило, нужны оба.

Они являются статическими членами класса, даже если программист явно не объявит их таковыми, и подчиняются обычным ограничениями для подобных функций-членов: им не передается указатель this, а следовательно, напрямую они могут получить доступ только к статическим членам. (См. обсуждение статических функций-членов в разделе 13.5.) Причина, по которой эти операторы делаются статическими, заключается в том, что они вызываются либо перед конструированием объекта класса (new()), либо после его уничтожения (delete()).

Выделение памяти с помощью оператора new(), например:

Screen *ptr = new Screen( 10, 20 );

эквивалентно последовательному выполнению таких инструкций:

// Псевдокод на C++ ptr = Screen::operator new( sizeof( Screen ) ); Screen::Screen( ptr, 10, 20 );

Иными словами, сначала вызывается определенный в классе оператор new(), чтобы выделить память для объекта, а затем этот объект инициализируется конструктором. Если new() неудачно завершает работу, то возбуждается исключение типа bad_alloc и конструктор не вызывается.

Освобождение памяти с помощью оператора delete(), например:

эквивалентно последовательному выполнению таких инструкций:

// Псевдокод на C++ Screen::

Screen( ptr ); Screen::operator delete( ptr, sizeof( *ptr ) );

Таким образом, при уничтожении объекта сначала вызывается деструктор класса, а затем определенный в классе оператор delete() для освобождения памяти. Если значение ptr равно 0, то ни деструктор, ни delete() не вызываются.

15.8.1. Операторы new[ ] и delete [ ]

Оператор new(), определенный в предыдущем подразделе, вызывается только при выделении памяти для единичного объекта. Так, в данной инструкции вызывается new() класса Screen:

// вызывается Screen::operator new() Screen *ps = new Screen( 24, 80 );

тогда как ниже вызывается глобальный оператор new[]() для выделения из хипа памяти под массив объектов типа Screen:

// вызывается Screen::operator new[]() Screen *psa = new Screen[10];

В классе можно объявить также операторы new[]() и delete[]() для работы с массивами.

Оператор-член new[]() должен возвращать значение типа void* и принимать в качестве первого параметра значение типа size_t. Вот его объявление для Screen:

Когда с помощью new создается массив объектов типа класса, компилятор проверяет, определен ли в классе оператор new[](). Если да, то для выделения памяти под массив вызывается именно он, в противном случае – глобальный new[](). В следующей инструкции в хипе создается массив из десяти объектов Screen:

Screen *ps = new Screen[10];

В этом классе есть оператор new[](), поэтому он и вызывается для выделения памяти. Его параметр size_t автоматически инициализируется значением, равным объему памяти в байтах, необходимому для размещения десяти объектов Screen.

Даже если в классе имеется оператор-член new[](), программист может вызвать для создания массива глобальный new[](), воспользовавшись оператором разрешения глобальной области видимости:

Screen *ps = ::new Screen[10];

Оператор delete(), являющийся членом класса, должен иметь тип void, а в качестве первого параметра принимать void*. Вот как выглядит его объявление для Screen:

Чтобы удалить массив объектов класса, delete должен вызываться следующим образом:

Когда операндом delete является указатель на объект типа класса, компилятор проверяет, определен ли в этом классе оператор delete[](). Если да, то для освобождения памяти вызывается именно он, в противном случае – его глобальная версия. Параметр типа void* автоматически инициализируется значением адреса начала области памяти, в которой размещен массив.

Даже если в классе имеется оператор-член delete[](), программист может вызвать глобальный delete[](), воспользовавшись оператором разрешения глобальной области видимости:

Добавление операторов new[]() или delete[]() в класс или удаление их оттуда не отражаются на пользовательском коде: вызовы как глобальных операторов, так и операторов-членов выглядят одинаково.

При создании массива сначала вызывается new[]() для выделения необходимой памяти, а затем каждый элемент инициализируется с помощью конструктора по умолчанию. Если у класса есть хотя бы один конструктор, но нет конструктора по умолчанию, то вызов оператора new[]() считается ошибкой. Не существует синтаксической конструкции для задания инициализаторов элементов массива или аргументов конструктора класса при создании массива подобным образом.

При уничтожении массива сначала вызывается деструктор класса для уничтожения элементов, а затем оператор delete[]() – для освобождения всей памяти. При этом важно использовать правильный синтаксис. Если в инструкции

ps указывает на массив объектов класса, то отсутствие квадратных скобок приведет к вызову деструктора лишь для первого элемента, хотя память будет освобождена полностью.

У оператора-члена delete[]() может быть не один, а два параметра, при этом второй должен иметь тип size_t:

Если второй параметр присутствует, то компилятор автоматически инициализирует его значением, равным объему отведенной под массив памяти в байтах.

15.8.2. Оператор размещения new() и оператор delete()

Оператор-член new() может быть перегружен при условии, что все объявления имеют разные списки параметров. Первый параметр должен иметь тип size_t:

Остальные параметры инициализируются аргументами размещения, заданными при вызове new:

Та часть выражения, которая находится после ключевого слова new и заключена в круглые скобки, представляет аргументы размещения. В примере выше вызывается оператор new(), принимающий два параметра. Первый автоматически инициализируется значением, равным размеру класса Screen в байтах, а второй – значением аргумента размещения start.

Можно также перегружать и оператор-член delete(). Однако такой оператор никогда не вызывается из выражения delete. Перегруженный delete() неявно вызывается компилятором, если конструктор, вызванный при выполнении оператора new (это не опечатка, мы действительно имеем в виду new), возбуждает исключение. Рассмотрим использование delete() более внимательно.

Последовательность действий при вычислении выражения

Screen *ps = new ( start ) Screen;

1. Вызывается определенный в классе оператор new(size_t, Screen*).
2. Вызывается конструктор по умолчанию класса Screen для инициализации созданного объекта.

Переменная ps инициализируется адресом нового объекта Screen.

Предположим, что оператор класса new(size_t, Screen*) выделяет память с помощью глобального new(). Как разработчик может гарантировать, что память будет освобождена, если вызванный на шаге 2 конструктор возбуждает исключение? Чтобы защитить пользовательский код от утечки памяти, следует предоставить перегруженный оператор delete(), который вызывается только в подобной ситуации.

Если в классе имеется перегруженный оператор с параметрами, типы которых соответствуют типам параметров new(), то компилятор автоматически вызывает его для освобождения памяти. Предположим, есть следующее выражение с оператором размещения new:

Screen *ps = new (start) Screen;

Если конструктор по умолчанию класса Screen возбуждает исключение, то компилятор ищет delete() в области видимости Screen. Чтобы такой оператор был найден, типы его параметров должны соответствовать типам параметров вызванного new(). Поскольку первый параметр new() всегда имеет тип size_t, а оператора delete() – void*, то первые параметры при сравнении не учитываются. Компилятор ищет в классе Screen оператор delete() следующего вида:

void operator delete( void*, Screen* );

Если такой оператор будет найден, то он вызывается для освобождения памяти в случае, когда new() возбуждает исключение. (Иначе – не вызывается.)

Разработчик класса принимает решение, предоставлять ли delete(), соответствующий некоторому new(), в зависимости от того, выделяет ли этот оператор new() память самостоятельно или пользуется уже выделенной. В первом случае delete() необходимо включить для освобождения памяти, если конструктор возбудит исключение; иначе в нем нет необходимости.

Можно также перегрузить оператор размещения new[]() и оператор delete[]() для массивов:

Оператор new[]() используется в случае, когда в выражении, содержащем new для распределения массива, заданы соответствующие аргументы размещения:

Если при работе оператора new конструктор возбуждает исключение, то автоматически вызывается соответствующий delete[]().

Объясните, какие из приведенных инициализаций ошибочны:

class iStack < public: iStack( int capacity ) : _stack( capacity ), _top( 0 ) <>// . private: int _top; vatcor< int> _stack; >; (a) iStack *ps = new iStack(20); (b) iStack *ps2 = new const iStack(15); (c) iStack *ps3 = new iStack[ 100 ];

Что происходит в следующих выражениях, содержащих new и delete?

Exercise(); >; Exercise *pe = new Exercise[20]; delete[] ps;

Измените эти выражения так, чтобы вызывались глобальные операторы new() и delete().

Объясните, зачем разработчик класса должен предоставлять оператор delete().

15.9. Определенные пользователем преобразования

Мы уже видели, как преобразования типов применяются к операндам встроенных типов: в разделе 4.14 этот вопрос рассматривался на примере операндов встроенных операторов, а в разделе 9.3 – на примере фактических аргументов вызванной функции для приведения их к типам формальных параметров. Рассмотрим с этой точки зрения следующие шесть операций сложения:

char ch; short sh;, int ival; /* в каждой операции один операнд * требует преобразования типа */ ch + ival; ival + ch; ch + sh; ch + ch; ival + sh; sh + ival;

Операнды ch и sh расширяются до типа int. При выполнении операции складываются два значения типа int. Расширение типа неявно выполняется компилятором и для пользователя прозрачно.

В этом разделе мы рассмотрим, как разработчик может определить собственные преобразования для объектов типа класса. Такие определенные пользователем преобразования также автоматически вызываются компилятором по мере необходимости. Чтобы показать, зачем они нужны, обратимся снова к классу SmallInt, введенному в разделе 10.9.

Напомним, что SmallInt позволяет определять объекты, способные хранить значения из того же диапазона, что unsigned char, т.е. от 0 до 255, и перехватывает ошибки выхода за его границы. Во всех остальных отношениях этот класс ведет себя точно так же, как unsigned char.

Чтобы иметь возможность складывать объекты SmallInt с другими объектами того же класса или со значениями встроенных типов, а также вычитать их, реализуем шесть операторных функций:

Операторы-члены дают возможность складывать и вычитать два объекта SmallInt. Глобальные же операторы-друзья позволяют производить эти операции над объектами данного класса и объектами встроенных арифметических типов. Необходимо только шесть операторов, поскольку любой встроенный арифметический тип может быть приведен к типу int. Например, выражение

SmallInt si( 3 ); si + 3.14159

1. Константа 3.14159 типа double преобразуется в целое число 3.
2. Вызывается operator+(const SmallInt &,int), который возвращает значение 6.

Если мы хотим поддержать битовые и логические операции, а также операции сравнения и составные операторы присваивания, то сколько же необходимо перегрузить операторов? Сразу и не сосчитаешь. Значительно удобнее автоматически преобразовать объект класса SmallInt в объект типа int.

В языке C++ имеется механизм, позволяющий в любом классе задать набор преобразований, применимых к его объектам. Для SmallInt мы определим приведение объекта к типу int. Вот его реализация:

class SmallInt < public: SmallInt( int ival ) : value( ival ) < >// конвертер // SmallInt ==> int operator int() < return value; >// перегруженные операторы не нужны private: int value; >;

Оператор int() – это конвертер, реализующий определенное пользователем преобразование, в данном случае приведение типа класса к заданному типу int. Определение конвертера описывает, что означает преобразование и какие действия компилятор должен выполнить для его применения. Для объекта SmallInt смысл преобразования в int заключается в том, чтобы вернуть число типа int, хранящееся в члене value.

Теперь объект класса SmallInt можно использовать всюду, где допустимо использование int. Если предположить, что перегруженных операторов больше нет и в SmallInt определен конвертер в int, операция сложения

SmallInt si( 3 ); si + 3.14159

1. Вызывается конвертер класса SmallInt, который возвращает целое число 3.
2. Целое число 3 расширяется до 3.0 и складывается с константой двойной точности 3.14159, что дает 6.14159.

Такое поведение больше соответствует поведению операндов встроенных типов по сравнению с определенными ранее перегруженными операторами. Когда значение типа int складывается со значением типа double, то выполняется сложение двух чисел типа double (поскольку тип int расширяется до double) и результатом будет число того же типа.

В этой программе иллюстрируется применение класса SmallInt:

Откомпилированная программа выдает следующие результаты:

Введите SmallInt, пожалуйста: 127

Прочитано значение 127

Введите SmallInt, пожалуйста (ctrl-d для выхода): 126

Оно меньше, чем 127

Введите SmallInt, пожалуйста (ctrl-d для выхода): 128

Оно больше, чем 127

Введите SmallInt, пожалуйста (ctrl-d для выхода): 256

*** Ошибка диапазона SmallInt: 256 ***

В реализацию класса SmallInt добавили поддержку новой функциональности:

Ниже приведены определения функций-членов, находящиеся вне тела класса:

15.9.1. Конвертеры

Конвертер – это особый случай функции-члена класса, реализующий определенное пользователем преобразование объекта в некоторый другой тип. Конвертер объявляется в теле класса путем указания ключевого слова operator, за которым следует целевой тип преобразования.

Имя, находящееся за ключевым словом, не обязательно должно быть именем одного из встроенных типов. В показанном ниже классе Token определено несколько конвертеров. В одном из них для задания имени типа используется typedef tName, а в другом – тип класса SmallInt.

#include «SmallInt.h» typedef char *tName; class Token < public: Token( char *, int ); operator SmallInt() < return val; >operator tName() < return name; >operator int() < return val; >// другие открытые члены private: SmallInt val; char *name; >;

Обратите внимание, что определения конвертеров в типы SmallInt и int одинаковы. Конвертер Token::operator int() возвращает значение члена val. Поскольку val имеет тип SmallInt, то неявно применяется SmallInt::operator int() для преобразования val в тип int. Сам Token::operator int() неявно употребляется компилятором для преобразования объекта типа Token в значение типа int. Например, этот конвертер используется для неявного приведения фактических аргументов t1 и t2 типа Token к типу int формального параметра функции print():

После компиляции и запуска программа выведет такие строки:

print( int ) : 127 print( int ) : 255

Общий вид конвертера следующий:

где type может быть встроенным типом, типом класса или именем typedef. Конвертеры, в которых type – тип массива или функции, не допускаются. Конвертер должен быть функцией-членом. В его объявлении не должны задаваться ни тип возвращаемого значения, ни список параметров:

Конвертер вызывается в результате явного преобразования типов. Если преобразуемое значение имеет тип класса, у которого есть конвертер, и в операции приведения указан тип этого конвертера, то он и вызывается:

#include «Token.h» Token tok( «function», 78 ); // функциональная нотация: вызывается Token::operator SmallInt() SmallInt tokVal = SmallInt( tok ); // static_cast: вызывается Token::operator tName() char *tokName = static_cast< char * >( tok );

У конвертера Token::operator tName() может быть нежелательный побочный эффект. Попытка прямого обращения к закрытому члену Token::name помечается компилятором как ошибка:

char *tokName = tok.name; // ошибка: Token::name — закрытый член

Однако наш конвертер, разрешая пользователям непосредственно изменять Token::name, делает как раз то, от чего мы хотели защититься. Скорее всего, это не годится. Вот, например, как могла бы произойти такая модификация:

#include «Token.h» Token tok( «function», 78 ); char *tokName = tok; // правильно: неявное преобразование *tokname = ‘P’; // но теперь в члене name находится Punction!

Мы намереваемся разрешить доступ к преобразованному объекту класса Token только для чтения. Следовательно, конвертер должен возвращать тип const char*:

typedef const char *cchar; class Token < public: operator cchar() < return name; >// . >; // ошибка: преобразование char* в const char* не допускается char *pn = tok; const char *pn2 = tok; // правильно

Другое решение – заменить в определении Token тип char* на тип string из стандартной библиотеки C++:

class Token < public: Token( string, int ); operator SmallInt() < return val; >operator string() < return name; >operator int() < return val; >// другие открытые члены private: SmallInt val; string name; >;

Семантика конвертера Token::operator string() состоит в возврате копии значения (а не указателя на значение) строки, представляющей имя лексемы. Это предотвращает случайную модификацию закрытого члена name класса Token.

Должен ли целевой тип точно соответствовать типу конвертера? Например, будет ли в следующем коде вызван конвертер int(), определенный в классе Token?

extern void calc( double ); Token tok( «constant», 44 ); // Вызывается ли оператор int()? Да // применяется стандартное преобразование int —> double calc( tok );

Если целевой тип (в данном случае double) не точно соответствует типу конвертера (в нашем случае int), то конвертер все равно будет вызван при условии, что существует последовательность стандартных преобразований, приводящая к целевому типу из типа конвертера. (Эти последовательности описаны в разделе 9.3.) При обращении к функции calc() вызывается Token::operator int() для преобразования tok из типа Token в тип int. Затем для приведения результата от типа int к типу double применяется стандартное преобразование.

Вслед за определенным пользователем преобразованием допускаются только стандартные. Если для достижения целевого типа необходимо еще одно пользовательское преобразование, то компилятор не применяет никаких преобразований. Предположим, что в классе Token не определен operator int(), тогда следующий вызов будет ошибочным:

extern void calc( int ); Token tok( «pointer», 37 ); // если Token::operator int() не определен, // то этот вызов приводит к ошибке компиляции calc( tok );

Если конвертер Token::operator int() не определен, то приведение tok к типу int потребовало бы вызова двух определенных пользователем конвертеров. Сначала фактический аргумент tok надо было бы преобразовать из типа Token в тип SmallInt с помощью конвертера

а затем результат привести к типу int – тоже с помощью пользовательского конвертера

Вызов calc(tok) помечается компилятором как ошибка, так как не существует неявного преобразования из типа Token в тип int.

Если логического соответствия между типом конвертера и типом класса нет, назначение конвертера может оказаться непонятным читателю программы:

Какое значение должен вернуть конвертер int() класса Date? Сколь бы основательными ни были причины для того или иного решения, читатель останется в недоумении относительно того, как пользоваться объектами класса Date, поскольку между ними и целыми числами нет явного логического соответствия. В таких случаях лучше вообще не определять конвертер.

15.9.2. Конструктор как конвертер

Набор конструкторов класса, принимающих единственный параметр, например, SmallInt(int) класса SmallInt, определяет множество неявных преобразований в значения типа SmallInt. Так, конструктор SmallInt(int) преобразует значения типа int в значения типа SmallInt.

extern void calc( SmallInt ); int i; // необходимо преобразовать i в значение типа SmallInt // это достигается применением SmallInt(int) calc( i );

При вызове calc(i) число i преобразуется в значение типа SmallInt с помощью конструктора SmallInt(int), вызванного компилятором для создания временного объекта нужного типа. Затем копия этого объекта передается в calc(), как если бы вызов функции был записан в форме:

// Псевдокод на C++ // создается временный объект типа SmallInt

Фигурные скобки в этом примере обозначают время жизни данного объекта: он уничтожается при выходе из функции.

Типом параметра конструктора может быть тип некоторого класса:

В таком случае значение типа SmallInt можно использовать всюду, где допустимо значение типа Number:

Если конструктор используется для выполнения неявного преобразования, то должен ли тип его параметра точно соответствовать типу подлежащего преобразованию значения? Например, будет ли в следующем коде вызван SmallInt(int), определенный в классе SmallInt, для приведения dobj к типу SmallInt?

extern void calc( SmallInt ); double dobj; // вызывается ли SmallInt(int)? Да // dobj преобразуется приводится от double к int // стандартным преобразованием calc( dobj );

Если необходимо, к фактическому аргументу применяется последовательность стандартных преобразований до того, как вызвать конструктор, выполняющий определенное пользователем преобразование. При обращении к функции calc()употребляется стандартное преобразование dobj из типа double в тип int. Затем уже для приведения результата к типу SmallInt вызывается SmallInt(int).

Компилятор неявно использует конструктор с единственным параметром для преобразования его типа в тип класса, к которому принадлежит конструктор. Однако иногда удобнее, чтобы конструктор Number(const SmallInt&) можно было вызывать только для инициализации объекта типа Number значением типа SmallInt, но ни в коем случае не для выполнения неявных преобразований. Чтобы избежать такого употребления конструктора, объявим его явным (explicit):

Компилятор никогда не применяет явные конструкторы для выполнения неявных преобразований типов:

Однако такой конструктор все же можно использовать для преобразования типов, если оно запрошено явно в форме оператора приведения типа:

15.10. Выбор преобразования A

Определенное пользователем преобразование реализуется в виде конвертера или конструктора. Как уже было сказано, после преобразования, выполненного конвертером, разрешается использовать стандартное преобразование для приведения возвращенного значения к целевому типу. Трансформации, выполненной конструктором, также может предшествовать стандартное преобразование для приведения типа аргумента к типу формального параметра конструктора.

Последовательность определенных пользователем преобразований – это комбинация определенного пользователем и стандартного преобразования, которая необходима для приведения значения к целевому типу. Такая последовательность имеет вид:

Последовательность стандартных преобразований ->

Определенное пользователем преобразование ->

Последовательность стандартных преобразований

где определенное пользователем преобразование реализуется конвертером либо конструктором.

Не исключено, что для трансформации исходного значения в целевой тип существует две разных последовательности пользовательских преобразований, и тогда компилятор должен выбрать из них лучшую. Рассмотрим, как это делается.

В классе разрешается определять много конвертеров. Например, в нашем классе Number их два: operator int() и operator float(), причем оба способны преобразовать объект типа Number в значение типа float. Естественно, можно воспользоваться конвертером Token::operator float() для прямой трансформации. Но и Token::operator int() тоже подходит, так как результат его применения имеет тип int и, следовательно, может быть преобразован в тип float с помощью стандартного преобразования. Является ли трансформация неоднозначной, если имеется несколько таких последовательностей? Или какую-то из них можно предпочесть остальным?

class Number < public: operator float(); operator int(); // . >; Number num; float ff = num; // какой конвертер? operator float()

1. operator float() -> точное соответствие
2. operator int() -> стандартное преобразование

Как было сказано в разделе 9.3, точное соответствие лучше стандартного преобразования. Поэтому первая последовательность лучше второй, а значит, выбирается конвертер Token::operator float().

Может случиться так, что для преобразования значения в целевой тип применимы два разных конструктора. В этом случае анализируется последовательность стандартных преобразований, предшествующая вызову конструктора:

class SmallInt < public: SmallInt( int ival ) : value( ival ) < >SmallInt( double dval ) : value( static_cast< int >( dval ) ); < >>; extern void manip( const SmallInt & ); int main() < double dobj; manip( dobj ); // правильно: SmallInt( double ) >

1. точное соответствие -> SmallInt( double )
2. стандартное преобразование -> SmallInt( int )

Поскольку точное соответствие лучше стандартного преобразования, то выбирается конструктор SmallInt(double).

Не всегда удается решить, какая последовательность лучше. Может случиться, что все они одинаково хороши, и тогда мы говорим, что преобразование неоднозначно. В таком случае компилятор не применяет никаких неявных трансформаций. Например, если в классе Number есть два конвертера:

то невозможно неявно преобразовать объект типа Number в тип long. Следующая инструкция вызывает ошибку компиляции, так как выбор последовательности определенных пользователем преобразований неоднозначен:

// ошибка: можно применить как float(), так и int() long lval = num;

1. operator float() -> стандартное преобразование
2. operator int() -> стандартное преобразование

Поскольку в обоих случаях за использованием конвертера следует применение стандартного преобразования, то обе последовательности одинаково хороши и компилятор не может выбрать ни одну из них.

С помощью явного приведения типов программист способен задать нужное изменение:

// правильно: явное приведение типа long lval = static_cast<int >( num );

Вследствие такого указания выбирается конвертер Token::operator int(), за которым следует стандартное преобразование в long.

Неоднозначность при выборе последовательности трансформаций может возникнуть и тогда, когда два класса определяют преобразования друг в друга. Например:

class SmallInt < public: SmallInt( const Number & ); // . >; class Number < public: operator SmallInt(); // . >; extern void compute( SmallInt ); extern Number num; compute( num ); // ошибка: возможно два преобразования

Аргумент num преобразуется в тип SmallInt двумя разными способами: с помощью конструктора SmallInt::SmallInt(const Number&) либо с помощью конвертера Number::operator SmallInt(). Поскольку оба изменения одинаково хороши, вызов считается ошибкой.

Для разрешения неоднозначности программист может явно вызвать конвертер класса Number:

// правильно: явный вызов устраняет неоднозначность compute( num.operator SmallInt() );

Однако для разрешения неоднозначности не следует использовать явное приведение типов, поскольку при отборе преобразований, подходящих для приведения типов, рассматриваются как конвертер, так и конструктор:

compute( SmallInt( num ) ); // ошибка: по-прежнему неоднозначно

Как видите, наличие большого числа подобных конвертеров и конструкторов небезопасно, поэтому их. следует применять с осторожностью. Ограничить использование конструкторов при выполнении неявных преобразований (а значит, уменьшить вероятность неожиданных эффектов) можно путем объявления их явными.

15.10.1. Еще раз о разрешении перегрузки функций

В главе 9 подробно описывалось, как разрешается вызов перегруженной функции. Если фактические аргументы при вызове имеют тип класса, указателя на тип класса или указателя на члены класса, то на роль возможных кандидатов претендует большее число функций. Следовательно, наличие таких аргументов оказывает влияние на первый шаг процедуры разрешения перегрузки – отбор множества функций-кандидатов.

На третьем шаге этой процедуры выбирается наилучшее соответствие. При этом ранжируются преобразования типов фактических аргументов в типы формальных параметров функции. Если аргументы и параметры имеют тип класса, то в множество возможных преобразований следует включать и последовательности определенных пользователем преобразований, также подвергая их ранжированию.

В этом разделе мы детально рассмотрим, как фактические аргументы и формальные параметры типа класса влияют на отбор функций-кандидатов и как последовательности определенных пользователем преобразований сказываются на выборе наилучшей из устоявших функции.

15.10.2. Функции-кандидаты

Функцией-кандидатом называется функция с тем же именем, что и вызванная. Предположим, что имеется такой вызов:

SmallInt si(15); add( si, 566 );

Функция-кандидат должна иметь имя add. Какие из объявлений add() принимаются во внимание? Те, которые видимы в точке вызова.

Например, обе функции add(), объявленные в глобальной области видимости, будут кандидатами для следующего вызова:

const matrix& add( const matrix &, int ); double add( double, double ); int main() < SmallInt si(15); add( si, 566 ); // . >

если фактический аргумент – это объект типа класса, указатель или ссылка на тип класса либо указатель на член класса и этот тип объявлен в пользовательском пространстве имен, то к множеству функций-кандидатов добавляются функции, объявленные в этом же пространстве и имеющие то же имя, что и вызванная:

Аргумент функции si имеет тип SmallInt. Функция-друг класса SmallInt add(SmallInt, int) – член пространства имен NS, хотя непосредственно в этом пространстве она не объявлена. При обычном поиске в NS функция-друг не будет найдена. Однако при вызове add() с аргументом типа класса SmallInt принимаются во внимание и добавляются к множеству кандидатов также друзья этого класса, объявленные в списке его членов.

Таким образом, если в списке фактических аргументов функции есть объект, указатель или ссылка на класс, а также указатели на члены класса, то множество функций-кандидатов состоит из множества функций, видимых в точке вызова, или объявленных в том же пространстве имен, где определен тип класса, или объявленных друзьями этого класса.

Рассмотрим следующий пример:

NS::add( SmallInt, int )

При разрешении перегрузки выбирается функция-друг класса SmallInt NS::add( SmallInt, int ) как наилучшая из устоявших: оба фактических аргумента точно соответствуют заданным формальным параметрам.

Разумеется, вызванная функция может быть несколько аргументов типа класса, указателя или ссылки на класс либо указателя на член класса. Допускаются разные типы классов для каждого из таких аргументов. Поиск функций-кандидатов для них ведется в пространстве имен, где определен класс, и среди функций-друзей класса. Поэтому результирующее множество кандидатов для вызова функции с такими аргументами содержит функции из разных пространств имен и функции-друзья, объявленные в разных классах.

15.10.3. Функции-кандидаты для вызова функции в области видимости класса

Когда вызов функции вида

встречается в области видимости класса (например, внутри функции-члена), то первая часть множества кандидатов, описанного в предыдущем подразделе (т.е. множество, включающее объявления функций, видимых в точке вызова), может содержать не только функции-члены класса. Для построения такого множества применяется разрешение имени. (Эта тема детально разбиралась в разделах 13.9 – 13.12.)

Как отмечалось в разделе 13.11, квалификаторы NS::myClass:: просматриваются в обратном порядке: сначала поиск видимого объявления для имени, использованного в определении функции-члена mf(), ведется в классе myClass, а затем – в пространстве имен NS. Рассмотрим первый вызов:

При разрешении имени h() в определении функции-члена mf() сначала просматриваются функции-члены myClass. Поскольку функции-члена с таким именем в области видимости этого класса нет, то далее поиск идет в пространстве имен NS. Функции h()нет и там, поэтому мы переходим в глобальную область видимости. Результат – глобальная функция h(char), единственная функция-кандидат, видимая в точке вызова.

Как только найдено подходящее объявление, поиск прекращается. Следовательно, множество содержит только те функции, объявления которых находятся в областях видимости, где разрешение имени завершилось успешно. Это можно наблюдать на примере построения множества кандидатов для вызова

Сначала поиск ведется в области видимости класса myClass. При этом найдены две функции-члена k(int) и k(char*). Поскольку множество кандидатов содержит лишь функции, объявленные в той области, где разрешение успешно завершилось, то пространство имен NS не просматривается и функция k(double) в данное множество не включается.

Если обнаруживается, что вызов неоднозначен, поскольку в множестве нет наиболее подходящей функции, то компилятор выдает сообщение об ошибке. Поиск кандидатов, лучше соответствующих фактическим аргументам, в объемлющих областях видимости не производится.

15.10.4. Ранжирование последовательностей определенных пользователем преобразований

Фактический аргумент функции может быть неявно приведен к типу формального параметра с помощью последовательности определенных пользователем преобразований. Как это влияет на разрешение перегрузки? Например, если имеется следующий вызов calc(), то какая функция будет вызвана?

class SmallInt < public: SmallInt( int ); >; extern void calc( double ); extern void calc( SmallInt ); int ival; int main() < calc( ival ); // какая calc() вызывается? >

Выбирается функция, формальные параметры которой лучше всего соответствуют типам фактических аргументов. Она называется лучшим соответствием или наилучшей из устоявших функций. Для выбора такой функции неявные преобразования, примененные к фактическим аргументам, подвергаются ранжированию. Лучшей из устоявших считается та, для которой примененные к аргументам изменения не хуже, чем для любой другой устоявшей, а хотя бы для одного аргумента они лучше, чем для всех остальных функций.

Последовательность стандартных преобразований всегда лучше последовательности определенных пользователем преобразований. Так, при вызове calc() из примера выше обе функции calc() являются устоявшими. calc(double) устояла потому, что существует стандартное преобразование типа фактического аргумента int в тип формального параметра double, а calc(SmallInt) – потому, что имеется определенное пользователем преобразование из int в SmallInt, которое использует конструктор SmallInt(int). Следовательно, наилучшей из устоявших функций будет calc(double).

А как сравниваются две последовательности определенных пользователем преобразований? Если в них используются разные конвертеры или разные конструкторы, то обе такие последовательности считаются одинаково хорошими:

class Number < public: operator SmallInt(); operator int(); // . >; extern void calc( int ); extern void calc( SmallInt ); extern Number num; calc( num ); // ошибка: неоднозначность

Устоявшими окажутся и calc(int), и calc(SmallInt); первая – поскольку конвертер Number::operator int()преобразует фактический аргумент типа Number в формальный параметр типа int, а вторая потому, что конвертер Number::operator SmallInt() преобразует фактический аргумент типа Number в формальный параметр типа SmallInt. Так как последовательности определенных пользователем преобразований всегда имеют одинаковый ранг, то компилятор не может выбрать, какая из них лучше. Таким образом, этот вызов функции неоднозначен и приводит к ошибке компиляции.

Есть способ разрешить неоднозначность, указав преобразование явно:

// явное указание преобразования устраняет неоднозначность calc( static_cast < int >( num ) );

Явное приведение типов заставляет компилятор преобразовать аргумент num в тип int с помощью конвертера Number::operator int(). Фактический аргумент тогда будет иметь тип int, что точно соответствует функции calc(int), которая и выбирается в качестве наилучшей.

Допустим, в классе Number не определен конвертер Number::operator int(). Будет ли тогда вызов

// определен только Number::operator SmallInt() calc( num ); // по-прежнему неоднозначен?

по-прежнему неоднозначен? Вспомните, что в SmallInt также есть конвертер, способный преобразовать значение типа SmallInt в int.

Можно предположить, что функция calc() вызывается, если сначала преобразовать фактический аргумент num из типа Number в тип SmallInt с помощью конвертера Number::operator SmallInt(), а затем результат привести к типу int с помощью SmallInt::operator SmallInt(). Однако это не так. Напомним, что в последовательность определенных пользователем преобразований может входит несколько стандартных преобразований, но лишь одно пользовательское. Если конвертер Number::operator int() не определен, то функция calc(int) не считается устоявшей, поскольку не существует неявного преобразования из типа фактического аргумента num в тип формального параметра int.

Поэтому в отсутствие конвертера Number::operator int() единственной устоявшей функцией будет calc(SmallInt), в пользу которой и разрешается вызов.

Если в двух последовательностях определенных пользователем преобразований употребляется один и тот же конвертер, то выбор наилучшей зависит от последовательности стандартных преобразований, выполняемых после его вызова:

class SmallInt < public: operator int(); // . >; void manip( int ); void manip( char ); SmallInt si ( 68 ); main() < manip( si ); // вызывается manip( int ) >

Как manip(int), так и manip(char) являются устоявшими функциями; первая – потому, что конвертер SmallInt::operator int() преобразует фактический аргумент типа SmallInt в тип формального параметра int, а вторая – потому, что тот же конвертер преобразует SmallInt в int, после чего результат с помощью стандартного преобразования приводится к типу char. Последовательности определенных пользователем преобразований выглядят так:

manip(int) : operator int()->точное соответствие manip(int) : operator int()->стандартное преобразование

Поскольку в обеих последовательностях используется один и тот же конвертер, то для определения лучшей из них анализируется ранг последовательности стандартных преобразований. Так как точное соответствие лучше преобразования, то наилучшей из устоявших будет функция manip(int).

Подчеркнем, что такой критерий выбора принимается только тогда, когда в обеих последовательностях определенных пользователем преобразований применяется один и тот же конвертер. Этим наш пример отличается от приведенных в конце раздела 15.9, где мы показывали, как компилятор выбирает пользовательское преобразование некоторого значения в данный целевой тип: исходный и целевой типы были фиксированы, и компилятору приходилось выбирать между различными определенными пользователем преобразованиями одного типа в другой. Здесь же рассматриваются две разных функции с разными типами формальных параметров, и целевые типы отличаются. Если для двух разных типов параметров нужны различные определенные пользователем преобразования, то предпочесть один тип другому возможно только в том случае, когда в обеих последовательностях используется один и тот же конвертер. Если это не так, то для выбора наилучшего целевого типа оцениваются стандартные преобразования, следующие за применением конвертера. Например:

class SmallInt < public: operator int(); operator float(); // . >; void compute( float ); void compute( char ); SmallInt si ( 68 ); main() < compute( si ); // неоднозначность >

И compute(float), и compute(int) – устоявшие функции. compute(float) – потому, что конвертер SmallInt::operator float()преобразует аргумент типа SmallInt в тип параметра float, а compute(char) – потому, что SmallInt::operator int() преобразует аргумент типа SmallInt в тип int, после чего результат стандартно приводится к типу char. Таким образом, имеются последовательности:

compute(float) : operator float()->точное соответствие compute(char) : operator char()->стандартное преобразование

Поскольку в них применяются разные конвертеры, то невозможно определить, у какой функции формальные параметры лучше соответствуют вызову. Для выбора лучшей из двух ранг последовательности стандартных преобразований не используется. Вызов помечается компилятором как неоднозначный.

В классах стандартной библиотеки C++ нет определений конвертеров, а большинство конструкторов, принимающих один параметр, объявлены явными. Однако определено множество перегруженных операторов. Как вы думаете, почему при проектировании было принято такое решение?

Почему перегруженный оператор ввода для класса SmallInt, определенный в начале этого раздела, реализован не так:

istream& operator>>( istream &is, SmallInt &si )

Приведите возможные последовательности определенных пользователем преобразований для следующих инициализаций. Каким будет результат каждой инициализации?

class LongDouble < operator double(); operator float(); >; extern LongDouble ldObj; (a) int ex1 = ldObj; (b) float ex2 = ldObj;

Назовите три множества функций-кандидатов, рассматриваемых при разрешении перегрузки функции в случае, когда хотя бы один ее аргумент имеет тип класса.

Какая из функций calc() выбирается в качестве наилучшей из устоявших в данном случае? Покажите последовательности преобразований, необходимых для вызова каждой функции, и объясните, почему одна из них лучше другой.

class LongDouble < public: LongDouble( double ); // . >; extern void calc( int ); extern void calc( LongDouble ); double dval; int main() < calc( dval ); // какая функция? >

15.11. Разрешение перегрузки и функции-члены A

1. Отбор функций-кандидатов.
2. Отбор устоявших функций.
3. Выбор наилучшей из устоявших функции.

Однако есть небольшие различия в алгоритмах формирования множества кандидатов и отбора устоявших функций-членов. Эти различия мы и рассмотрим в настоящем разделе.

15.11.1. Объявления перегруженных функций-членов

Функции-члены класса можно перегружать:

Как и в случае функций, объявленных в пространстве имен, функции-члены могут иметь одинаковые имена при условии, что списки их параметров различны либо по числу параметров, либо по их типам. Если же объявления двух функций-членов отличаются только типом возвращаемого значения, то второе объявление считается ошибкой компиляции:

В отличие от функций в пространствах имен, функции-члены должны быть объявлены только один раз. Если даже тип возвращаемого значения и списки параметров двух функций-членов совпадают, то второе объявление компилятор трактует как неверное повторное объявление:

Все функции из множества перегруженных должны быть объявлены в одной и той же области видимости. Поэтому функции-члены никогда не перегружают функций, объявленных в пространстве имен. Кроме того, поскольку у каждого класса своя область видимости, функции, являющиеся членами разных классов, не перегружают друг друга.

Множество перегруженных функций-членов может содержать как статические, так и нестатические функции:

Какая из функций-членов будет вызвана – статическая или нестатическая – зависит от результатов разрешения перегрузки. Процесс разрешения в ситуации, когда устояли как статические, так и нестатические члены, мы подробно рассмотрим в следующем разделе.

15.11.2. Функции-кандидаты

Рассмотрим два вида вызовов функции-члена:

mc.mf( arg ); pmc->mf( arg );

где mc – выражение типа myClass, а pmc – выражение типа «указатель на тип myClass». Множество кандидатов для обоих вызовов составлено из функций, найденных в области видимости класса myClass при поиске объявления mf().

Аналогично для вызова функции вида

множество кандидатов также состоит из функций, найденных в области видимости класса myClass при поиске объявления mf(). Например:

Кандидатами для вызова функции в main() являются все три функции-члена mf(), объявленные в myClass:

void mf( double ); void mf( char, char = ‘\n’ ); static void mf( int* );

Если бы в myClass не было объявлено ни одной функции-члена с именем mf(), то множество кандидатов оказалось бы пустым. (На самом деле рассматривались бы также и функции из базовых классов. О том, как они попадают в это множество, мы поговорим в разделе 19.3.) Если для вызова функции не оказывается кандидатов, компилятор выдает сообщение об ошибке.

15.11.3. Устоявшие функции

В этом фрагменте для вызова mf() из main() есть две устоявшие функции:

• mf(double) устояла потому, что у нее только один параметр и существует стандартное преобразование аргумента iobj типа int в параметр типа double;
• mf(char,char) устояла потому, что для второго параметра имеется значение по умолчанию и существует стандартное преобразование аргумента iobj типа int в тип char первого формального параметра.

При выборе наилучшей из устоявших функции преобразования типов, применяемые к каждому фактическому аргументу, ранжируются. Лучшей считается та, для которое все использованные преобразования не хуже, чем для любой другой устоявшей функции, и хотя бы для одного аргумента такое преобразование лучше, чем для всех остальных функций.

В предыдущем примере в каждой из двух устоявших функций для приведения типа фактического аргумента к типу формального параметра применено стандартное преобразование. Вызов считается неоднозначным, так как обе функции-члена разрешают его одинаково хорошо.

Независимо от вида вызова функции, в множество устоявших могут быть включены как статические, так и нестатические члены:

Здесь функция-член mf() вызывается с указанием имени класса и оператора разрешения области видимости myClass::mf(). Однако не задан ни объект (с оператором «точка»), ни указатель на объект (с оператором «стрелка»). Несмотря на это, нестатическая функция-член mf(char) все же включается в множество устоявших наряду со статическим членом mf(int).

Затем процесс разрешения перегрузки продолжается: на основе ранжирования преобразований типов, примененных к фактическим аргументам, чтобы выбрать наилучшую из устоявших функций. Аргумент cobj типа char точно соответствует формальному параметру mf(char) и может быть расширен до типа формального параметра mf(int). Поскольку ранг точного соответствия выше, то выбирается функция mf(char).

Однако эта функция-член не является статической и, следовательно, вызывается только через объект или указатель на объект класса myClass с помощью одного из операторов доступа. В такой ситуации, если объект не указан и, значит, вызов функции невозможен (как раз наш случай), компилятор считает его ошибкой.

Еще одна особенность функций-членов, которую надо принимать во внимание при формировании множества устоявших функций, – это наличие спецификаторов const или volatile у нестатических членов. (Они рассматривались в разделе 13.3.) Как они влияют на процесс разрешения перегрузки? Пусть в классе myClass есть следующие функции-члены:

Тогда и статическая функция-член mf(int*), и константная функция mf(int), и неконстантная функция mf(double) включаются в множество кандидатов для показанного ниже вызова. Но какие из них войдут в множество устоявших?

Исследуя преобразования, которые надо применить к фактическим аргументам, мы обнаруживаем, что устояли функции mf(double) и mf(int). Тип double фактического аргумента dobj точно соответствует типу формального параметра mf(double) и может быть приведен к типу параметра mf(int) с помощью стандартного преобразования.

Если при вызове функции-члена используются операторы доступа «точка» или»стрелка», то при отборе функций в множество устоявших принимается во внимание тип объекта или указателя, для которого вызвана функция.

mc – это константный объект, для которого можно вызывать только нестатические константные функции-члены. Следовательно, неконстантная функция-член mf(double) исключается из множества устоявших, и остается в нем единственная функция mf(int), которая и вызывается.

А если константный объект использован для вызова статической функции-члена? Ведь для такой функции нельзя задавать спецификатор const или volatile, так можно ли ее вызывать через константный объект?

Статические функции-члены являются общими для всех объектов одного класса. Напрямую они могут обращаться только к статическим членам класса. Так, нестатические члены константного объекта mc недоступны статической mf(int). По этой причине разрешается вызывать статическую функцию-член для константного объекта с помощью операторов «точка» или «стрелка».

Таким образом, статические функции-члены не исключаются из множества устоявших и при наличии спецификаторов const или volatile у объекта, для которого они вызваны. Статические функции-члены рассматриваются как соответствующие любому объекту или указателю на объект своего класса.

В примере выше mc – константный объект, поэтому функция-член mf(char) исключается из множества устоявших. Но функция-член mf(int) в нем остается, так как является статической. Поскольку это единственная устоявшая функция, она и оказывается наилучшей.

15.12. Разрешение перегрузки и операторы A

В классах могут быть объявлены перегруженные операторы и конвертеры. Предположим, при инициализации встретился оператор сложения:

SomeClass sc; int iobj = sc + 3;

Как компилятор решает, что следует сделать: вызвать перегруженный оператор для класса SomeClass или конвертировать операнд sc во встроенный тип, а затем уже воспользоваться встроенным оператором?

Ответ зависит от множества перегруженных операторов и конвертеров, определенных в SomeClass. При выборе оператора для выполнения сложения применяется процесс разрешения перегрузки функции. В данном разделе мы расскажем, как этот процесс позволяет выбрать нужный оператор, когда операндами являются объекты типа класса.

• Отбор функций-кандидатов.
• Отбор устоявших функций.
• Выбор наилучшей из устоявших функции.

Рассмотрим эти шаги более детально.

Разрешение перегрузки функции не применяется, если все операнды имеют встроенные типы. В таком случае гарантированно употребляется встроенный оператор. (Использование операторов с операндами встроенных типов описано в главе 4.) Например:

class SmallInt < public: SmallInt( int ); >; SmallInt operator+ ( const SmallInt &, const SmallInt & ); void func()

Поскольку операнды i1 и i2 имеют тип int, а не тип класса, то при сложении используется встроенный оператор +. Перегруженный operator+(const SmallInt &, const SmallInt &) игнорируется, хотя операнды можно привести к типу SmallInt с помощью определенного пользователем преобразования в виде конструктора SmallInt(int). Описанный ниже процесс разрешения перегрузки в таких ситуациях не применяется.

Кроме того, разрешение перегрузки для операторов употребляется только в случае использования операторного синтаксиса:

то применяется процедура разрешения перегрузки для функций в пространстве имен (см. раздел 15.10). Если же использован синтаксис вызова функции-члена:

// синтаксис вызова функции-члена int res = si.operator+( iobj );

то работает соответствующая процедура для функций-членов (см. раздел 15.11).

15.12.1. Операторные функции-кандидаты

Операторная функция является кандидатом, если она имеет то же имя, что и вызванная. При использовании следующего оператора сложения

SmallInt si(98); int iobj = 65; int res = si + iobj;

операторной функцией-кандидатом является operator+. Какие объявления operator+ принимаются во внимание?

множество операторов, видимых в точке вызова. Объявления функции operator+(), видимые в точке использования оператора, являются кандидатами. Например, operator+(), объявленный в глобальной области видимости, – кандидат в случае применения operator+() внутри main():

множество операторов-членов, объявленных в классе левого операнда. Если такой операнд оператора operator+() имеет тип класса, то в множество функций-кандидатов включаются объявления operator+(), являющиеся членами этого класса:

Первое объявление относится к встроенному оператору для сложения двух значений целых типов, второе – к оператору для сложения значений типов с плавающей точкой. Третье и четвертое соответствуют встроенному оператору сложения указательных типов, который используется для прибавления целого числа к указателю. Два последних объявления представлены в символическом виде и описывают целое семейство встроенных операторов, которые могут быть выбраны компилятором на роль кандидатов при обработке операций сложения.

Любое из первых четырех множеств может оказаться пустым. Например, если среди членов класса SmallInt нет функции с именем operator+(), то четвертое множество будет пусто.

Все множество операторных функций-кандидатов является объединением пяти подмножеств, описанных выше:

В эти пять множеств входят семь операторных функций-кандидатов на роль operator+() в main():

• первое множество пусто. В глобальной области видимости, а именно в ней употреблен operator+() в функции main(), нет объявлений перегруженного оператора operator+();
• второе множество содержит операторы, объявленные в пространстве имен NS, где определен класс SmallInt. В этом пространстве имеется один оператор: NS::SmallInt NS::operator+( const SmallInt &, double );
• третье множество содержит операторы, объявленные друзьями класса SmallInt. Сюда входит NS::SmallInt NS::operator+( const SmallInt &, int );
• четвертое множество содержит операторы, объявленные членами SmallInt. Такой тоже есть: NS::SmallInt NS::SmallInt::operator+( const myFloat & );
• пятое множество содержит встроенные бинарные операторы:

Да, формирование множества кандидатов для разрешения оператора, использованного с применением операторного синтаксиса, утомительно. Но после того как оно построено, устоявшие функции и наилучшая из них находятся, как и прежде, путем анализа преобразований, применимых к операндам отобранных кандидатов.

15.12.2. Устоявшие функции

Множество устоявших операторных функций формируется из множества кандидатов путем отбора лишь тех операторов, которые могут быть вызваны с заданными операндами. Например, какие из семи найденных выше кандидатов устоят? Оператор использован в следующем контексте:

NS::SmallInt si(15); si + 5.66;

Левый операнд имеет тип SmallInt, а правый – double.

Первый кандидат является устоявшей функцией для данного использования operator+():

NS::SmallInt NS::operator+( const SmallInt &, double );

Левый операнд типа SmallInt в качестве инициализатора точно соответствует формальному параметру-ссылке этого перегруженного оператора. Правый, имеющий тип double, также точно соответствует второму формальному параметру.

Следующая функция-кандидат также устоит:

NS::SmallInt NS::operator+( const SmallInt &, int );

Левый операнд si типа SmallInt в качестве инициализатора точно соответствует формальному параметру-ссылке перегруженного оператора. Правый имеет тип int и может быть приведен к типу второго формального параметра с помощью стандартного преобразования.

Устоит и третья функция-кандидат:

NS::SmallInt NS::SmallInt::operator+( const myFloat & );

Левый операнд si имеет тип SmallInt, т.е. тип того класса, членом которого является перегруженный оператор. Правый имеет тип int и приводится к типу класса myFloat с помощью определенного пользователем преобразования в виде конструктора myFloat(double).

Четвертой и пятой устоявшими функциями являются встроенные операторы:

int operator+( int, int ); double operator+( double, double );

Класс SmallInt содержит конвертер, который может привести значение типа SmallInt к типу int. Этот конвертер используется вместе с первым встроенным оператором для преобразования левого операнда в тип int. Второй операнд типа double трансформируется в тип int с помощью стандартного преобразования. Что касается второго встроенного оператора, то конвертер приводит левый операнд от типа SmallInt к типу int, после чего результат стандартно преобразуется в double. Второй же операнд типа double точно соответствует второму параметру.

Лучшей из этих пяти устоявших функций является первая, operator+(), объявленная в пространстве имен NS:

NS::SmallInt NS::operator+( const SmallInt &, double );

Оба ее операнда точно соответствуют параметрам.

15.12.3. Неоднозначность

Наличие в одном и том же классе конвертеров, выполняющих неявные преобразования во встроенные типы, и перегруженных операторов может приводить к неоднозначности при выборе между ними. Например, есть следующее определение класса String с функцией сравнения:

и такое использование оператора operator==:

Тогда при сравнении

вызывается оператор равенства класса String:

String::operator==( const String & ) const;

Для трансформации правого операнда pf из типа const char* в тип String параметра operator==() применяется определенное пользователем преобразование, которое вызывает конструктор:

String( const char * )

Если добавить в определение класса String конвертер в тип const char*:

то показанное использование operator==() становится неоднозначным:

// проверка на равенство больше не компилируется! if (flower == pf)

Из-за добавления конвертера operator const char*() встроенный оператор сравнения

bool operator==( const char *, const char * )

тоже считается устоявшей функцией. С его помощью левый операнд flower типа String может быть преобразован в тип const char *.

Теперь для использования operator==() в foo() есть две устоявших операторных функции. Первая из них

String::operator==( const String & ) const;

требует применения определенного пользователем преобразования правого операнда pf из типа const char* в тип String. Вторая

bool operator==( const char *, const char * )

требует применения пользовательского преобразования левого операнда flower из типа String в тип const char*.

Таким образом, первая устоявшая функция лучше для левого операнда, а вторая – для правого. Поскольку наилучшей функции не существует, то вызов помечается компилятором как неоднозначный.

При проектировании интерфейса класса, включающего объявление перегруженных операторов, конструкторов и конвертеров, следует быть весьма аккуратным. Определенные пользователем преобразования применяются компилятором неявно. Это может привести к тому, что встроенные операторы окажутся устоявшими при разрешении перегрузки для операторов с операндами типа класса.

Назовите пять множеств функций-кандидатов, рассматриваемых при разрешении перегрузки оператора с операндами типа класса.

Какой из операторов operator+() будет выбран в качестве наилучшего из устоявших для оператора сложения в main()? Перечислите все функции-кандидаты, все устоявшие функции и преобразования типов, которые надо применить к аргументам для каждой устоявшей функции.

namespace NS < class complex < complex( double ); // . >; class LongDouble < friend LongDouble operator+( LongDouble &, int ) < /* . */ >public: LongDouble( int ); operator double(); LongDouble operator+( const complex & ); // . >; LongDouble operator