C++ 中流插入（＜＜）与提取（＞＞）运算符重载解析

C++ 中流插入（<<）与提取（>>）运算符重载解析

一、运算符重载的基本规则

• 运算符本质
  << 和 >> 是二元运算符，左操作数为流对象（istream/ostream），右操作数为自定义类型对象。例如：cout << obj 实际调用的是 operator<<(cout, obj)，cin >> obj 调用的是 operator>>(cin, obj)。

• 必须重载为友元函数
  由于左操作数是流对象（非类成员），需将运算符重载函数声明为类的 友元函数，以便访问类的私有成员。

• 返回流对象的引用
  返回流对象的引用（ostream& 或 istream&）是为了支持链式调用，例如 cout << a << b。

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二、流插入运算符 << 重载

1. 语法格式

// 声明为类的友元函数
friend ostream& operator<<(ostream& os, const MyClass& obj);

// 函数实现
ostream& operator<<(ostream& os, const MyClass& obj) {
    os << obj.data1 << ", " << obj.data2; // 按需访问和输出成员
    return os;
}

2. 示例：输出学生信息

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

class Student {
private:
    string name;
    int age;
public:
    Student(string n, int a) : name(n), age(a) {}
    // 声明为友元函数
    friend ostream& operator<<(ostream& os, const Student& s);
};

// 实现 << 运算符重载
ostream& operator<<(ostream& os, const Student& s) {
    os << "Name: " << s.name << ", Age: " << s.age;
    return os;
}

int main() {
    Student s("Alice", 20);
    cout << s; // 输出：Name: Alice, Age: 20
    return 0;
}

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三、流提取运算符 >> 重载

1. 语法格式

// 声明为类的友元函数
friend istream& operator>>(istream& is, MyClass& obj);

// 函数实现
istream& operator>>(istream& is, MyClass& obj) {
    is >> obj.data1 >> obj.data2; // 按需读取数据
    return is;
}

2. 示例：输入学生信息

class Student {
    // 假设需要以下成员
    string name;
    int age;
public:
    Student() {}
    // 声明友元函数
    friend istream& operator>>(istream& is, Student& s);
};

// 实现 >> 运算符重载
istream& operator>>(istream& is, Student& s) {
    cout << "Enter name and age: ";
    is >> s.name >> s.age; // 读取数据
    return is;
}

int main() {
    Student s;
    cin >> s; // 输入数据到 s
    cout << s; // 输出（假设 << 已重载）
    return 0;
}

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四、关键注意事项

1. 输入参数必须为非 const 引用
   因为 >> 运算符需要修改对象状态。

   istream& operator>>(istream& is, Student& s); // 正确
   

2. 处理输入错误
   在 >> 重载中应检查输入合法性，例如年龄不能为负数：

   if (!(is >> s.age)) {
       cerr << "Invalid input!";
       is.setstate(ios::failbit);
   }
   

3. 链式调用的实现
   返回流引用允许连续操作：

   Student s1, s2;
   cin >> s1 >> s2;
   

4. 避免修改流状态
   不要随意更改流的格式（如 hex、setw），以免影响后续操作。

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五、综合示例：日期类输入输出

#include <iostream>
using namespace std;

class Date {
private:
    int year, month, day;
public:
    Date(int y=0, int m=0, int d=0) : year(y), month(m), day(d) {}
    friend ostream& operator<<(ostream& os, const Date& d);
    friend istream& operator>>(istream& is, Date& d);
};

// 输出运算符重载
ostream& operator<<(ostream& os, const Date& d) {
    os << d.year << "-" << d.month << "-" << d.day;
    return os;
}

// 输入运算符重载
istream& operator>>(istream& is, Date& d) {
    char dash1, dash2;
    is >> d.year >> dash1 >> d.month >> dash2 >> d.day;
    // 验证格式
    if (dash1 != '-' || dash2 != '-' || d.month < 1 || d.month > 12) {
        is.setstate(ios::failbit);
    }
    return is;
}

int main() {
    Date d;
    cout << "Enter date (YYYY-MM-DD): ";
    cin >> d;
    if (cin.fail()) {
        cerr << "Invalid date format!";
    } else {
        cout << "Date: " << d << endl; // 输出日期
    }
    return 0;
}

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六、总结

1. 友元声明：必须将运算符重载函数声明为类的友元。
2. 返回流引用：确保支持链式调用。
3. 输入验证：在 >> 重载中处理非法输入。
4. 参数类型：<< 的第二个参数为 const 引用，>> 的第二个参数为非 const 引用。