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經驗分享：從 C 邁向 C++（三）——函數模板與運算子多載

編輯：C++ 入門

C++ 技術雖然盛行，許多 C 開發者都渴望在短時間內掌握它。市面上介紹 C++ 的書籍不少，但真正能幫助初學者「輕鬆跨越」的資源卻不多。本文針對有一定 C 語言基礎（甚至熟練使用指標）的讀者，透過實際代碼示例，帶領大家從淺入深理解 C++ 核心特性——這裡以 Borland C++ 3.1 為示範環境。

4. 函數模板

前文討論的函數多載雖能實現求和運算，但顯得不夠優雅。若需支援 char 等新類型，仍得重寫同樣邏輯的函數：

char Add(char a, char b) {
    return a + b;
}

這類重複勞動讓人懷念巨集，但 C++ 提供了更先進的解決方案——模板：

template <class TYPE>
TYPE Add(TYPE a, TYPE b) {
    return a + b;
}

TYPE 作為模板參數代表資料類型。編譯器會根據實際調用的類型自動生成對應函數：

int i = Add(1, 2);        // 生成 int Add(int, int)
float f = Add(1.0, 2.0);  // 生成 float Add(float, float)

若嘗試混合類型調用 Add('A', 0.0l)，編譯器會報錯，因為無法匹配 Add(char, double)。

函數模板可涵蓋所有基本類型的 Add，但遇到自訂類型（如複數結構）時：

struct COMPLEX { float r; float i; };
typedef struct COMPLEX complex;

complex c1, c2;
complex c = Add(c1, c2);  // 編譯器嘗試生成 complex Add(complex, complex)

由於結構體未定義 + 運算子，編譯器會報錯 Illegal structure operation。解決方法是為該類型提供專門的重載函數，這在 C++ 中稱為函數模板特化：

complex Add(complex c1, complex c2) {
    complex c;
    c.r = c1.r + c2.r;
    c.i = c1.i + c2.i;
    return c;
}

函數模板雖類似巨集，但具備型別檢查，更安全。模板也可應用於類別中，進一步增強泛型程式設計能力。

5. 運算子多載

前面為 complex 寫的 Add 函數雖能工作，但非 C++ 慣用風格。我們更傾向直觀的表達：

complex c = c1 + c2;  // 而非 complex c = Add(c1, c2);

C++ 允許直接對運算子 + 進行多載：

complex operator+(complex c1, complex c2) {
    complex c;
    c.r = c1.r + c2.r;
    c.i = c1.i + c2.i;
    return c;
}

當出現 c1 + c2 時，編譯器將其轉為 operator+(c1, c2)，賦予自然語義。以下說明常見運算子多載形式：

1) 單目運算子多載

設 @ 為單目運算子，@x 和 x@ 均解釋為 operator@(x)。例如 y = --x 譯為 y = operator--(x)。下例實現複數取反：

// test11.cpp
#include <iostream.h>
#include "complex.h"

complex operator-(complex c) {
    c.r = -c.r;
    c.i = -c.i;
    return c;
}

void main() {
    complex c = {1.0, 2.0};
    c = -c;
    cout << "c=(" << c.r << "," << c.i << "i)\n";
}

輸出：c=(-1,-2i)

++ 和 -- 可作前綴也可作後綴。後綴形式需額外 int 參數作標識：

complex operator++(complex& c, int);  // 後綴 ++
complex operator--(complex& c, int);  // 後綴 --

complex c;
c++;   // ok
++c;   // error（未定義前綴版本）
c++(0); // error

2) 雙目運算子多載

設 @ 為雙目運算子，x @ y 解釋為 operator@(x, y)。如前所述 complex operator+(complex, complex) 即屬此類。

3) new / delete 多載

new 和 delete 同樣可多載，典型聲明：

void* operator new(size_t size);
void operator delete(void* p);

使用 new int 時，編譯器轉為 operator new(sizeof(int))。以下示例攔截記憶體分配並改用 malloc/free：

// test12.cpp
#include <alloc.h>
#include <iostream.h>
#include "complex.h"

static void* operator new(size_t size) {
    cout << size << " byte(s) allocated!\n";
    return malloc(size);
}

static void operator delete(void* p) {
    free(p);
    cout << "memory block returned!\n";
}

void main() {
    int* ip = new int(10);
    complex* cp = new complex;
    float* fp = new float[10];
    delete[] fp;
    delete cp;
    delete ip;
}

輸出顯示各類型分配大小與釋放順序。聲明為 static 限制連結可見性，避免影響其他檔案。