C++ 運算符重載完全指南：成員函數 vs 友元函數、類型轉換、前後綴++

運算符重載基礎

運算符重載本質是函數重載，函數名為 operator@（@ 為運算符）。賦予用戶定義類型直觀的運算語法。

可重載 / 不可重載運算符

兩種重載形式

1. 成員函數形式

class Integer {
    int val;
public:
    Integer(int v=0): val(v) {}
    Integer operator+(int x) const { return Integer(val + x); }  // this + x
    Integer& operator+=(int x) { val += x; return *this; }
    Integer& operator++() { ++val; return *this; }       // 前綴 ++
    Integer operator++(int) { Integer t=*this; ++val; return t; }  // 後綴 ++
    operator int() const { return val; }  // 類型轉換函數
};

• 隱含 this 指針，左操作數必須是類對象
• 適合單目運算符、修改對象狀態的運算符（=、+= 等）

2. 友元函數形式

class Integer {
    int val;
    friend Integer operator+(int x, const Integer& y);  // 非成員，需友元訪問私有
public:
    // ...
};
Integer operator+(int x, const Integer& y) {  // x + y，左操作數是 int
    return Integer(x + y.val);
}

• 無 this，雙目運算符兩操作數顯式傳入
• 適合雙目運算符、需隱式轉換左操作數、交換律運算符
• 必須用友元：=、[]、()、->、類型轉換函數

綜合示例：Integer 包裝類

class Integer {
    int m_val;
public:
    Integer(int v=0): m_val(v) {}
    
    // 成員運算符
    Integer operator+(int x) const { return Integer(m_val + x); }
    Integer& operator+=(int x) { m_val += x; return *this; }
    Integer& operator=(int x) { m_val = x; return *this; }
    Integer& operator++() { ++m_val; return *this; }
    Integer operator++(int) { Integer t(*this); ++m_val; return t; }
    operator int() const { return m_val; }  // 隱式轉 int
    
    // 友元運算符（支援 1 + obj）
    friend Integer operator+(int x, const Integer& y);
    friend ostream& operator<<(ostream& os, const Integer& y);
};

// 友元定義
Integer operator+(int x, const Integer& y) { return Integer(x + y.m_val); }
ostream& operator<<(ostream& os, const Integer& y) { return os << y.m_val; }

使用示例

Integer a(10), b = 20;      // 隱式構造
b = a + 1;                  // 成員 operator+
b = 1 + a;                  // 友元 operator+
int n = b;                  // 類型轉換 operator int()
b = a++;                    // 後綴++
b = ++a;                    // 前綴++
cout << b << endl;          // 友元 operator<<

選擇指南：成員 vs 友元

最佳實踐原則

1. 優先考慮語義直觀性，a+b 應等價於 b+a（若符合交換律）
2. 返回值：算術運算符返回值（新對象），賦值/複合賦值返回引用（*this）
3. 參數：盡量 const T&，避免拷貝
4. 前綴 ++ 返回引用，後綴 ++ 返回值（需舊值副本）
5. 不要重載 &&、||、,（會失去短路求值/順序點特性）