C++ Primer 學習筆記：運算符重載——輸入輸出、算術、關系運算符

運算符重載分類

• 輸入/輸出運算符：`operator<<`、`operator>>`（必須為非成員函數/友元）
• 算術運算符：`+ - * / %` 等（建議非成員，支持隱式轉換）
• 關系運算符：`== != < <= > >=`（建議非成員，保持對稱性）
• 賦值/複合賦值：`= += -=` 等（必須為成員函數）
• 下標/調用/解引用：`[] () * ->`（必須為成員）

輸入/輸出運算符重載

class Date {
    int y, m, d;
    friend ostream& operator<<(ostream& os, const Date& dt);
    friend istream& operator>>(istream& is, Date& dt);
};

ostream& operator<<(ostream& os, const Date& dt) {
    return os << dt.y << '-' << dt.m << '-' << dt.d;
}

istream& operator>>(istream& is, Date& dt) {
    char c;
    return is >> dt.y >> c >> dt.m >> c >> dt.d;
}

關鍵點

• 返回流引用，支持鏈式調用 `cout << a << b`
• 輸入運算符參數為非 const 引用（需修改對象）
• 處理格式錯誤時設置 `is.setstate(ios::failbit)`

算術運算符重載

class Complex {
    double re, im;
public:
    friend Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b) {
        return {a.re + b.re, a.im + b.im};
    }
    friend Complex operator-(const Complex& a, const Complex& b) {
        return {a.re - b.re, a.im - b.im};
    }
    // 複合賦值作為成員
    Complex& operator+=(const Complex& rhs) {
        re += rhs.re; im += rhs.im; return *this;
    }
    // + 利用 += 實現
    friend Complex operator+(Complex lhs, const Complex& rhs) {
        return lhs += rhs;
    }
};

最佳實踐

• 複合賦值 (`+=`) 作為成員，返回 `*this`
• 普通算術 (`+`) 作為非成員，參數傳值利用複製構造，調用 `+=`
• 支持混合類型運算（如 `Complex + double`）

關系運算符重載

class Date {
    int y, m, d;
public:
    friend bool operator==(const Date& a, const Date& b) {
        return a.y==b.y && a.m==b.m && a.d==b.d;
    }
    friend bool operator<(const Date& a, const Date& b) {
        if (a.y != b.y) return a.y < b.y;
        if (a.m != b.m) return a.m < b.m;
        return a.d < b.d;
    }
    // C++20 可用 <=> 自動生成其餘
};

C++20 三向比較

// C++20
#include <compare>
class Date {
    int y, m, d;
public:
    auto operator<=>(const Date&) const = default; // 自動生成 ==, !=, <, <=, >, >=
};

重載規則總結表

避坑指南

1. 不要重載 `&&` `||` `,`（會失去短路求值/順序點語義）
2. 避免重載 `new`/`delete` 除非自定義內存管理
3. 運算符語義應與內建類型一致，不可濫用
4. 標記 `noexcept` 提升性能（移動語義、交換等）

運算符重載是 C++ 表達能力的核心，遵循「語義一致、對稱性、最小驚訝原則」，能讓自定義類型像內建類型一樣自然易用。