面向对象(四)：运算符重载
原理
运算符重载的本质
a + b 等价于 a.operator+(b)（成员形式）或 operator+(a, b)（非成员形式）。编译器遇到表达式时，先进行名称查找找到候选的 operator+ 函数，然后通过重载决议选择最佳匹配。
成员 vs 友元的底层区别
成员形式和友元形式在汇编层产生完全相同的代码——区别仅在于参数的语义标签：
; 成员形式 a+b → call X::operator+ , rdi=&a, rsi=&b
; 友元形式 a+b → call operator+(X,X), rdi=&a, rsi=&b
; 函数内部的指令完全相同
```asm
决策表：
| 场景 | 选成员 | 选友元 | 原因 |
|---|---|---|---|
| 左操作数确定是 `*this` | 可 | 可 | 都可以，成员更自然 |
| 左操作数不是本类类型（如 `5+obj`, `cout<<obj`） | 不可 | **必须** | 成员函数要求左操作数有对应成员 |
| `= [] () ->` | **必须** | 不可 | C++ 标准强制规定 |
### 三个不变原则
1. **优先级不变**：优先级是语法解析阶段就确定的，重载决议发生在语义分析阶段——远在 AST 构建之后
2. **结合性不变**：`a + b + c` 永远等价于 `(a + b) + c`（左结合运算符）
3. **操作数个数不变**：二元运算符永远接收两个操作数
### 返回类型的决策依据
| 返回类型 | 典型运算符 | 汇编特征 |
|---|---|---|
| `T`（值返回） | `+ - * /` | `call new; call 构造; ret`，创建新对象 |
| `T&`（引用返回） | `= += -= <<` | `mov rax, rdi; ret`，直接返回 this，零开销 |
| `bool` | `== != < >` | `xor eax, eax; cmp; sete al; ret` |
### 前置 vs 后置自增的汇编
```asm
; 前置 ++c — operator++() → Counter&
inc dword [rdi] ; 直接自增（1 条指令）
mov rax, rdi ; 返回 this（1 条指令）
; 后置 c++ — operator++(int) → Counter
mov eax, [rdi] ; 保存旧值
inc dword [rdi] ; 自增
; 可能还有拷贝构造 → 至少多一次拷贝操作
```cpp
后置版本的 `int` 参数是语法标记，由编译器自动传入 `0`，仅用于重载决议中区分前后置。前置版本返回 `T&`（修改后自身），后置版本返回 `T`（旧值副本）。
### 转换构造函数与运算符的交互
转换构造函数（非 explicit 的单参数构造函数）允许隐式类型转换参与运算符匹配：
```cpp
Complex a(1,2);
Complex b = a + 3.5; // 3.5 → Complex(3.5, 0.0)，然后 operator+ 匹配
Complex c = 3.5 + a; // 编译错误！3.5 是 double，没有 operator+(Complex)
```asm
`explicit` 关键字在重载决议中阻断隐式转换路径，编译器跳过该构造函数，只保留显式构造的路径。
### ADL 让运算符跨命名空间工作
`a + b` 中如果 a 和 b 的类型在命名空间 `N` 中，ADL 自动把 `N` 加入 `operator+` 的搜索范围。不用 `using namespace N;` 就能使用运算符——这是运算符重载自然语法的关键设计。
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## 语法
### 算术与赋值运算符
```cpp
class Vec {
double x, y;
public:
Vec operator+(const Vec& v) const { return {x+v.x, y+v.y}; }
Vec& operator+=(const Vec& v) { x+=v.x; y+=v.y; return *this; }
// 通常用 += 实现 +
friend Vec operator+(const Vec& a, const Vec& b) { Vec r(a); r+=b; return r; }
};
```asm
### 比较运算符
```cpp
bool operator==(const Vec& v) const { return x==v.x && y==v.y; }
bool operator!=(const Vec& v) const { return !(*this == v); }
bool operator<(const Vec& v) const { return x < v.x || (x==v.x && y<v.y); }
// >, <=, >= 通过 < 和 == 实现
```asm
### 自增自减
```cpp
Vec& operator++() { ++x; return *this; } // 前置：返回引用
Vec operator++(int) { Vec t(*this); ++x; return t; } // 后置：返回值
```asm
### 下标与函数调用
```cpp
T& operator[](size_t i) { return data[i]; } // 必须成员
void operator()(int x) { /* 函数对象 */ } // 必须成员
```asm
### 流运算符（必须友元）
```cpp
friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Vec& v) {
return os << "(" << v.x << ", " << v.y << ")";
}
```asm
### 类型转换运算符
```cpp
operator double() const { return length; } // 隐式转换（不推荐）
explicit operator int() const { return (int)x; } // 显式转换（C++11，推荐）
explicit operator bool() const { return valid; } // 条件判断可用
```asm
### 字面量运算符（C++11）
```cpp
Distance operator"" _km(long double val) { return Distance(val * 1000.0); }
auto d = 5.0_km; // Distance(5000.0)
```cpp
### C++20 太空船运算符
```cpp
auto operator<=>(const T&) const = default;
// 编译器自动生成 ==, !=, <, >, <=, >= 全部六个运算符
```asm
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## 实践
**练习**：日期处理题（日期类与比较运算符），排序题题（结构体排序与运算符重载）。