[C++] 基础知识之3、C++中的运算符

C++中的运算符

　　运算符是一种告诉编译器执行特定的数学或者逻辑操作的符号。C++内置了丰富的运算符。和运算符相关的概念和知识也是C++编程语言中的重要组成部分。这里做一个初步总结。

基本运算符

　　主要分为如下五种类型的运算符。

算术运算符

　　包括加法运算符(+)、减法运算符(-)、乘法运算符(*)、除法运算符(/)、取模运算符(%)、自增运算符(++)和自减运算符(- -)。其中需要注意的是前缀自增(++a)和后缀自增(a++)的区别。前者表示先执行自增运算，执行完的结果参与其它运算；而后者表示先对a执行其它运算，等到表达式中和a相关的语句执行完成之后，再对a进行自增。除非重载，算术运算符的运算结果一般为数值。

关系运算符

　　包括相等运算符(==)，不等运算符(!=)，大于运算符(>)，小于运算符(<)，大于等于运算符(>=)以及小于等于运算符(<=)。除非重载，关系运算符的运算结果一般为布尔值。

逻辑运算符

　　包括逻辑与运算符(&&)、逻辑或运算符(||)和逻辑非运算符(!)。其中逻辑与和逻辑或运算在C++中采用短路实现，即对于(A&&B)，假如已经运算得知A为false，则不再对B进行运算，直接返回结果false；对于(A||B)，假如已经运算得知A为true，则不再对B进行运算，直接返回true。

位运算符

　　位运算符作用于二进制位，并逐位执行操作。假设A=60=0b00111100， B=13=0b00001101，则位运算的描述如下：

运算符	实例	解释
&	(A&B)=0b00001100=12	当且仅当两个操作数的对应位都为1时结果才为1
|	(A|B)=0b00111101=61	只要有一个操作数的对应位为1则结果为1
^	(A^B)=0b00110001=49	当且仅当两个操作数的对应位不同时结果为1
~	(~A)=0b11000011=-61	各位取反
<<	(A<<2)=240	左操作数的值向左移动右操作数指定的位数，右边补零
>>	(A>>2)=15	左操作数的值向右移动右操作数指定的位数，左边补零

　　关于位运算符有许多神奇的妙用，例如：
　　 1. 二进制补码运算符(~)：一个有符号的二进制数的补码通常通过该运算符获得。计算机中有符号整数通常都是采用补码进行表示的，有诸多好处，感兴趣的读者可以参阅相关文章。
　　 2. 二进制左移运算符(<<)：对于正整数而言，左移一位意味着*2，但是执行效率却比普通的算术运算符高很多。
　　 3. 二进制右移运算符(>>)：对于正整数而言，右移一位意味着/2，但是执行效率却比普通的算术运算符高很多。更多的妙用可以参考：http://www.matrix67.com/blog/archives/263。

赋值运算符

　　赋值运算符其实就是等号(=)以及它与所有算术运算符和位运算符的结合。例如a+=b就等同于a = a + b。赋值运算符可以起到简化代码的作用。C++支持的赋值运算符主要包括：简单赋值运算符(=)、加赋值运算符(+=)、减赋值运算符(-=)、乘赋值运算符(*=)、除赋值运算符(/=)、求模赋值运算符(%=)、左移赋值运算符(<<=)、右移赋值运算符(>>=)、按位与赋值运算符(&=)、按位或赋值运算符(|=)以及按位异或(^=)赋值运算符。

杂项运算符

　　C++中的其它重要的运算符如下：

运算符	描述
sizeof	sizeof运算符返回变量的大小，以字节为单位。例如sizeof(short) == 2。
Condition?X:Y	条件运算符，如果Condition为真则返回X，否则返回Y。
,	逗号运算符会顺序执行一系列运算，整个逗号表达式的值是以逗号分隔的列表中的最后一个表达式的值。
.和->	成员运算符用于引用类、结构和共用体的成员，其中前者适用于普通变量或者引用类型，后者适用于指针类型。
Cast	强制转换运算符把一种数据类型转换为另一种数据类型，例如int(6.5)=6。
&	取地址运算符&返回变量的地址；如果出现在左值中则表示后面的变量类型为引用。
*	取内容运算符*返回指针所指向的内容；如果出现在左值中则表示后面的变量类型为指针。

运算符优先级

　　运算符的优先级确定表达式中各项的组合顺序。明确定义运算符的优先级可以大量减少括弧的使用，提高代码的可读性。下表将按照运算符优先级从高到低列出各个运算符，具有较高优先级的预算付出现在表格的上面。在表达式中，较高优先级的运算符会优先被计算。

优先级	操作符	说明	结合方向
1	::	范围解析	从左到右
2	() [] . -> ++ - - dynamic_cast static_cast reinterpret_cast const_cast typeid	后缀	从左到右
3	++ - - ~ ! sizeof new delete	一元(前缀)	从右到左
	* &	指针和取地址
	+ -	一元符号
4	(type)	类型转换	从右到左
5	.* ->*	指向成员的指针	从左到右
6	* / %	乘除及取模	从左到右
7	+ -	加减	从左到右
8	<< >>	位移	从左到右
9	< > <= >=	关系操作符	从左到右
10	== !=	相等判定	从左到右
11	&	按位与运算	从左到右
12	^	按位异或运算	从左到右
13	|	按位或运算	从左到右
14	&&	逻辑与运算	从左到右
15	||	逻辑或操作	从左到右
16	?:	条件运算	从右到左
17	= += -= *= /= %= >>= <<= &= ^= |=	赋值运算	从右到左
18	,	逗号	从左到右

　　事实上上表也无须死记硬背，很多运算符的规则和数学中是相同的。用的多，看得多了自然就记得了。对于拿不准的，可以通过使用括弧达到目标。

运算符重载

　　运算符重载允许把标准运算符应用于自定义数据类型的对象，直观自然，可以提高程序的可读性，体现了C++的可扩展性。运算符重载本质上是函数的重载，但不同之处在于运算符重载的一定是操作符。

重载的实现方式

　　运算符重载的实现方式有两种，即通过“友元函数”或者“类成员函数”，这两种方式都可以访问类中的私有成员。下面是友元函数操作符重载方式。

class 类名 {
    friend 返回类型 operator 操作符(形参表);
};
// 类外定义格式
返回类型 operator 操作符(形参表) {
    // 函数体
}

下面是类成员函数操作符重载的方式。

class 类名 {
public:
    返回类型 operator 操作符(形参表);
};
// 类外定义格式
返回类型 类名 :: operator 操作符(形参表) {
    // 函数体
}

　　利用友元函数重载二元操作符时，形式参数是两个，而利用类成员函数时，形式参数却只有一个。这是因为类成员函数中存在this指针，这相当于一个参数，所以类成员实现操作符重载需要的形式参数比原来少一个。这比如利用类成员函数实现一元操作符”-“时，就不需要参数了。也正是因为这个原因，友元函数实现的操作符重载是有限制的，比如[]，()，->和=等不能利用友元函数实现运算符的重载。
　　在实际开发过程中，单目运算符建议重载为成员函数，而双目运算符建议重载为友元函数。通常情况下双目运算符重载为友元函数比重载为成员函数更方便，但是有时候双目运算符比如重载为成员函数，例如赋值运算符=。还有如果需要修改对象内部的状态，一般也可以选择利用类成员函数的重载进行修改。

运算符重载的原则

　　运算符重载也是要遵循一些原则的：
　　1. C++中只能对已有的运算符进行重载（见本贴的基本运算符介绍），不允许用户自己定义新的运算符。
　　 2. C++中绝大多数运算符可以重载，但是有五个运算符不允许重载，分别是：成员访问运算符(.)，作用域运算符(::)，长度运算符(sizeof)，条件运算符(?:)以及成员指针访问运算符(.*)。
　　 3. 运算符重载后不能改变运算符的操作对象(操作数)的个数。如：”+”是实现两个操作数的运算符，重载后仍然为双目运算符。
　　 4. 重载不能改变运算符原有的优先级和原有的结合性。
　　 5. 运算符重载不能全部是C++中预定义的基本数据，这样做的目的是为了防止用户修改用于基本类型数据的运算符性质。
　　 6. 对于前置单目运算符U，如“-”（负号）等，如果要重载U为类的成员函数，用来实现表达式U oprd，其中oprd为A类的对象，则U应当重载为A类的成员函数，函数没有形参。经过重载之后，表达式U oprd相当于函数调用oprd.operator U()。
　　 7. 对于后置运算符“++”和“- -”，如果要将它们重载为类的成员函数，用来实现表达式oprd++或oprd- -，其中oprd为A类的对象，那么运算符就应当重载为A类的成员函数，这时函数要带有一个整型形参。重载之后，表达式oprd++和oprd- - 就想当于函数调用oprd.operator++(0)和oprd.operator- -(0)。