C++ 中重载 + 操作符的正确方法

作者：Danny Kalev
编译：MTT 工作室

原文出处：Overloading Operator + the Right Way

int x=4+2;

　　内建的 + 操作符有两个类型相同的操作数，相加并返回右值 6，然后被赋值给 x。我们可以断定内建的 + 是一个二元的，对称的，可交换的操作符。它产生的结果的类型与其操作数类型相同。按照这个规测，当你为某个用户定义类型重载操作符时，也应该遵循相应内建操作符的特征。
　　为用户定义类型重载 + 操作符是很常见的编程任务。尽管 C++ 提供了几种实现方法，但是它们容易使人产生设计上的误解，这种误解常常影响代码的正确性，性能以及与标准库组件之间的兼容性。

下面我们就来分析内建操作符的特征并尝试模仿其相应的重载机制。

第一步：在成员函数和非成员函数之间选择
你可以用类成员函数的方式实现二元操作符如：+、- 以及 ==，例如：

class String{public: bool operator==(const String & s); // 比较 *this 和 s}; 

　　这个方法是有问题的。相对于其内建的操作符来说，重载的操作符在这里不具有对称性；它的两个参数一个类型为：const String * const（这个参数是隐含的），另一个类型为：const String &。因此，一些 STL 算法和容器将无法正确处理这样的对象。
　　另外一个可选方法是把重载操作符 + 定义为一个外部（extern）函数，该函数带两个类型相同的参数：

String operator + (const String & s1, const String s2);

这样一来，类 String 必须将该重载操作符声明为友元：

class String{public: friend String operator+(const String& s1,const String&s2);};

第二步：返回值的两难选择
　　如前所述，内建操作符 + 返回右值，其类型与操作数相同。但是在调用者堆栈里返回一个对象效率很低，处理大型对象时尤其如此。那么能不能返回一个指针或引用呢？答案是不行。因为返回指针破坏参数类型与返回值类型应该相同的规则。更糟的是，链接多个表达式将成为不可能：

String s1,s2,s3;String res;res=s1+s2+s3; // 不可能用 String* 作为返回值

　　虽然有一个办法可以定义额外的 + 操作符重载版本，但这个办法是我们不希望用的，因为返回的指针必须指向动态分配的对象。这样的话，如果调用者释放（delete）返回的指针失败，那么将导致内存泄漏。显然，返回 String* 不是一个好主意。
　　那么返回 String& 好不好呢？返回的引用必须一定要是一个有效的 String。它避免了使用动态对象分配，该方法返回的是一个本地静态对象的引用。静态对象确实解决了内存泄漏问题，但这个方法的可行性仍然值得怀疑。在一个多线程应用中，两个线程可能会并发调用 + 操作符，因此造成 String 对象的混乱。而且，因为静态对象总是保留其调用前的状态，所以有必要针对每次 + 操作符的调用都清除该静态 String 对象。由此看来，在堆栈上返回结果仍然是最安全和最简单的解决方案。

作者简介
　　Danny Kalev 是一名通过认证的系统分析师和软件工程师，专攻 C++ 和形式语言理论。1997 年到 2000 年期间，他是 C++ 标准委员会成员。最近他以优异成绩完成了他在普通语言学研究方面的硕士论文。 业余时间他喜欢听古典音乐，阅读维多利亚时期的文学作品，研究 Hittite、Basque 和 Irish Gaelic 这样的自然语言。其它兴趣包括考古和地理。Danny 时常到一些 C++ 论坛并定期为不同的 C++ 网站和杂志撰写文章。他还在教育机构讲授程序设计语言和应用语言课程。