C++ 重載下標運算符 []：實現邊界檢查與安全陣列訪問

下標運算符重載的必要性

C++ 內建陣列下標訪問 arr[i] 不進行邊界檢查，越界訪問導致未定義行為，極難偵錯。重載 operator[] 可在類層面強制加入邊界檢查，構建安全陣列容器。

語法規則與雙重載模式

operator[] 必須作為成員函數重載，且通常提供兩個版本：

// 非常量版本：可讀可寫
Type& operator[](size_t index);

// 常量版本：唯讀
const Type& operator[](size_t index) const;

關鍵差異：第二個版本以 const 修飾成員函數，允許在 const 物件上調用，且返回常量引用防止修改。

完整實戰：帶邊界檢查的安全陣列類

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

class Array {
public:
    Array() : m_length(0), m_pNums(nullptr) {}
    Array(int n) : m_length(n) { m_pNums = new int[n]; }
    ~Array() { delete[] m_pNums; }

    // 非常量版本：支援 arr[i] = val
    int& operator[](int i) {
        if (i < 0 || i >= m_length)
            throw string("out of bounds");
        return m_pNums[i];
    }

    // 常量版本：支援 const_arr[i] 唯讀
    const int& operator[](int i) const {
        if (i < 0 || i >= m_length)
            throw string("out of bounds");
        return m_pNums[i];
    }

    int getlength() const { return m_length; }

private:
    int m_length;
    int* m_pNums;
};

int main() {
    Array A(5);
    try {
        // 寫入
        for (int i = 0; i < A.getlength(); ++i)
            A[i] = i;
        // 讀取（含越界）
        for (int i = 0; i < 6; ++i)
            cout << A[i] << endl;
    } catch (string s) {
        cerr << s << ", i = " << 5 << endl;
    }
}

運行結果

0
1
2
3
4
out of bounds, i = 5

雙版本重載的深層原因

若僅提供非常量版本，const 物件將無法使用下標訪問，嚴重限制實用性。

轉換機制與異常處理

表達式 arr[5] 編譯器轉換為：

arr.operator[](5);

本例使用 throw string(...) 拋出異常，配合 try-catch 捕獲。現代 C++ 建議使用標準異常類別（如 std::out_of_range）替代裸字串。

進階考量

• 效能：釋出版可用 assert 或宏關閉檢查
• 多維度：operator[] 僅接受單一參數，多維陣列需返回代理物件或重載 operator()
• STL 風格：std::vector 提供 at() (檢查) 與 operator[] (不檢查) 兩種介面

總結

重載 operator[] 是構建安全容器的核心技術。雙版本重載（非常量/常量）確保語意正確與const 正確性，邊界檢查消除一大類難以發現的記憶體錯誤。掌握此模式，是理解 std::vector、std::array 等標準容器內部機制的關鍵一步。