《 高质量C++编程指南 》学习重点八

8.4  运算符重载

8.4.1  概念

     在C++ 语言中，可以用关键字operator 加上运算符来表示函数，叫做运算符重载。 例如两个复数相 加函数：

    Complex Add(const Complex &a, const Complex &b);

可以用运算符重载来表示：

    Complex operator +(const Complex &a, const Complex &b);

     运算符与普通函数在调用时的不同之处是：对于普通函数，参数出现在圆括号内；而对于运算符，参数出现在其左、右侧。 例如

    Complex a, b, c;

    …

    c = Add(a, b);  //  用普通函数

    c = a + b;      //  用运算符  +

     如果运算符被重载为 全局函数，那么只有一个参数的运算符叫做一元运算符，有两个参数的运算符叫做二元运算符。

     如果运算符被重载为 类的成员函数，那么一元运算符没有参数，二元运算符只有一个右侧参数，因为 对象自己成了左侧参数。

     从语法上讲，运算符既可以定义为全局函数，也可以定义为成员函数。文献[Murray , p44-p47] 对此问题作了较多的阐述，并总结了表8-4-1 的规则。

 

运算符	规则
所有的一元运算符	建议重载为成员函数
= () [] ->	只能重载为成员函数
+= -= /= *= &= |= ~= %= >>= <<=	建议重载为成员函数
所有其它运算符	建议重载为全局函数

表8-4-1  运 算符的重载规则

 

由于C++ 语言支持函数重载，才能将运算符当成函数来用，C 语 言就不行。 我们要以平常心来对待运算符重载：

（1 ）不要过分担心自己不会用，它的本质仍然是程序员们熟悉的函数。

（2 ）不要过分热心地使用，如果它不能使代码变得更加易读易写，那就别用，否则会自找麻烦。

 

8.4.2  不能被重载的运算符

     在C++ 运算符集合中，有一些运算符是不允 许被重载的。这种限制是出于安全方面的考虑，可防止错误和混乱。

（1 ）不能改变C++ 内部数据类型 （如int,float 等）的运算符。

（2 ）不能重载‘.’ ， 因为‘.’ 在类中对任何成员都有意义，已经成为标准用法。

（3 ） 不能重载目前C++ 运算符集合中没有的符号，如#,@,$ 等。 原因有两点，一是难以理解，二是难以确定优先级。

（4 ）对已经存在的运算符进行重载时，不能改变优先级规则，否则将引起混乱。

 

8.5  函数内联

8.5.1  用内联取代宏代码

     C++  语言支持函数内联，其目的是为了提高函数的执行效率（速度）。

     在C 程序中，可以用宏代码提高执行效率。宏代码本身不是函数，但使用起来象函数。 预处理器用复制宏 代码的方式代替函数调用， 省去了参数压栈、生成汇编语言的CALL 调 用、返回参数、执行return 等过程，从而提高了速度。 使用宏代码最大的缺点是容易出错，预处理器在复制宏代码时常常产生意想不到的边际效应。 例如:

    #define MAX(a, b)       (a) > (b) ? (a) : (b)

语句

result = MAX(i, j) + 2 ;

将被预处理器解释为

    result = (i) > (j) ? (i) : (j) + 2 ;

由于运算符‘+’ 比运算符‘:’ 的 优先级高，所以上述语句并不等价于期望的

    result = ( (i) > (j) ? (i) : (j) ) + 2 ;

如果把宏代码改写为

    #define MAX(a, b)       ( (a) > (b) ? (a) : (b) )

则可以解决由优先级引起的错误。但是即使使用修改后的宏代码也不是万无一失的，例如语句 

result = MAX(i++, j);

将被预处理器解释为

    result = (i++) > (j) ? (i++) : (j);

     对于C++  而言，使用宏代码还有另一种缺点：无法操作类的私有数据成员。

 

让我们看看C++  的“函数内联”是如何工作的。对于任何内联函数，编译器在符号表里放入函数的声明（包括名字、参数类型、返回值类型）。如果编译器没有发现内联函数存在错误，那么该函数的代 码也被放入符号表里。 在调用一个内联函数时，编译器首先检查 调用是否正确（进行类型安全检查，或者进行自动类型转换，当然对所有的函数 都一样 ）。 如果正确，内联函数的代码就会直接 替换函数调用，于是省去了函数调用的开销。 这个过程与预处理有显著的不同，因为预处理器不能进行类型安全检查，或者进行自动类型转换。假如内联函数是成员函数，对象的地址（this ） 会被放在合适的地方，这也是预处理器办不到的。

C++  语言的函数内联机制既 具备宏代码的效率，又增加了安全性，而且可以自由操作类的数据成员。 所以在C++  程序中，应该用内联函数取代所有宏代码，“断言assert ”恐怕是唯一的例外。 assert 是仅在 Debug 版本起作用的宏，它用于检查“不应该”发生的情况。为了不在程序的 Debug 版本和 Release 版本引起差别， assert 不应该产生任何副作用。 如果assert 是函数，由于函数调用会引起内存、代码的变动， 那么将导致Debug 版本与Release 版本存在差异。 所以 assert 不是函数，而是 宏。（ 参见 6.5 节“使用断言”）

 

8.5.2  内联函数的编程风格

     关键字inline 必须与函数定义体放在一起才能使函数成为内联，仅将inline 放 在函数声明前面不起任何作用。 如下风格的函数Foo 不能成为内联函数：

    inline void Foo(int x, int y); // inline 仅与函数声明放在一起

    void Foo(int x, int y)

    {

        …

    }

而如下风格的函数Foo 则成为内联函数：

    void Foo(int x, int y);    

     inline   void Foo(int x, int y)   // inline 与函数定义体放在一起

    {

        …

    }

     所以说，inline 是一种“用于实现的关键字”，而不是一种“用于声明的关键字”。 一般地，用户可以阅 读函数的声明，但是看不到函数的定义。尽管在大多数教科书中内联函数的声明、定义体前面都加了inline 关 键字，但我认为inline 不 应该出现在函数的声明中。这个细节虽然不会影响函数的功能，但是体现了高质量C++/C 程序设计风 格的一个基本原则：声明与定义不可混为一谈，用户没有必要、也不应该知道函数是否需要内联。

     定义在类声明之中的成 员函数将自动地成为内联函数， 例如

    class A

    {

public:

        void Foo(int x, int y) { … }   //  自动地成为内联函数

    }

将成员函数的定义体放在类声明之中虽然能带来书写上的方便，但不是一种良好的编程风格，上例应该改成：

    //  头文件

class A

    {

public:

        void Foo(int x, int y) ；

    }

    //  定义文件

     inline   void A::Foo(int x, int y)

{

…

}

 

8.5.3  慎用内联

     内联能提高函数的执行效率，为什么不把所有的函数都定义成内联函数？

     如果所有的函数都是内联函数，还用得着“内联”这个关键字吗？

     内联是以代码膨胀（复 制）为代价 ，仅仅省去了函数调用的开销，从而提高函数的执行效率。 如果执行函数体内 代码的时间，相比于函数调用的开销较大，那么效率的收获会很少。另一方面，每一处内联函数的调用都要复制代码，将使程序的总代码量增大，消耗更多的内存空 间。以下情况不宜使用内联：

（1 ）如 果函数体内的代码比较长，使用内联将导 致内存消耗代价较高。

（2 ）如果函数体内出现循环，那么执行函数体内代码的时间要比函数调用的开销大。

     类的构造函数和析构函数容易让人误解成使用内联更有效。要当心构造函数和析构函数可能会隐藏一些行 为，如“偷偷地”执行了基类或成员对象的构造函数和析构函数。所以不要随便 地将构造函数和析构函数的定义体放在类声明中。

一个好的编译器将会根据函 数的定义体，自动地取消不值得的内联（这进一步说明了inline 不应该出现在函数的声明中）。

 

8.6  一些心得体会

    C++  语言中的重载、内联、缺省参数、隐式转换等机制展现了很多优点，但是这 些优点的背后都隐藏着一些隐患。正如人们的饮食，少食和暴食都不可取，应当恰到好处。我们要辨证地看待C++ 的 新机制，应该恰如其分地使用它们。虽然这会使我们编程时多费一些心思，少了一些痛快，但这才是编程的艺术 。