C程序设计第11章 友元与运算符重载

第11章 友元与运算符重载目的与要求11.1 友元函数11.2 运算符重载11.3 多态性与虚函数11.4 类与对象的特性本章小结目的与要求 通过本章的学习，应理解友元的概念，掌握将普通函数定义为类友元函数的方法。理解运算符重载的概念，掌握运算符重载函数的定义方法、调用过程及实际应用。掌握多态性技术的概念及实现方法。了解虚函数与纯虚函数的概念、定义格式及使用方法。11.1 友元函数 友元函数定义：友元函数是能在类外访问类中的任何成员的函数。 友元函数可以是普通函数，也可以是某个类的成员函数，甚至可以将某个类说明成另一个类的友元。 11.1.1 定义普通函数为友元函数 在定义一个类时，若在类中用关键词friend修饰普通函数，则该普通函数就成为该类的友元函数，它可以访问该类中所有的成员。 定义普通友元函数的格式为： friend (形参表)； 【例11.1】用友元函数的方法求长方体的体积。例程友元函数的说明：（1）友元函数不是类的成员函数，它不带this指针。所以必须用对象或对象的引用作为友元函数的形参，并在函数体内使用运算符“.”来访问对象的成员（2）友元函数必须在类内进行函数原型说明，函数定义部分写在类外。（3）友元函数与一般函数的区别： 友元函数可访问类内的任一数据成员或成员函数； 一般函数只能访问类的公有数据成员或公有成员函数。（4）由于友元函数不是类的成员函数，所以类的访问权限对友元函数不起作用。 （5）友元函数可使用类内的所有成员，破坏了数据的安全性，使用友元函数必须谨慎。 11.1.2 友元注意事项（1）友元关系是不传递的（2）友元关系不具有交换性（3）友元关系是不能继承的 11.2 运算符重载11.2.1 运算符重载的概念 1引例 用“+”运算符完成两个实数、两个复数、两个字符串的相关运算。（1）实数。设：c1=10 ，c2=20，则：c1+c2=10+20=30。（2）复数。设：c1=10+10i，c2=20+20i，则：c1+c2=30+30i 。（3）字符串。设：c1=“ABCD”，c2=“EFGH” ，则c1+c2=ABCDEFGH“ 这就是“+”运算符的重载。运算符重载的概念2运算符重载 所谓运算符重载就是用同一个运算符完成不同的运算操作。 3运算符重载函数 运算符重载是通过运算符重载函数来完成的。 运算符重载函数分一元运算符重载函数为成员函数、一元运算符重载函数为友员函数、二元运算符重载函数为成员函数、二元运算符重载函数为友员函数四种情况 11.2.2 二元运算符重载 1运算符重载函数为类的成员函数（1）重载函数的定义格式 :(形参) 函数体 其中，类型为重载函数的返回类型。 类名为成员函数所属类的类名。 关键词“operator”加上“重载运算符”为重载函数名，即：=。 形参常为参加运算的对象或数据。运算符重载函数为类的成员函数 （2）重载函数的调用格式 .(实参表)； 注意：在进行两个对象的二元运算时，其程序中所用到语法格式为： ； 如：c1+c2 而执行上述语句时，系统将自动转换成对重载函数的调用格式： .(右操作数)； 如c1.operator+(c2); 【例11.2】定义一个复数类 ，重载“+”运算符，使这个运算符能直接完成两个复数的加法运算，以及一个复数与一个实数的加法运算。 例程运算符重载函数为类的成员函数说明（3）对于运算符重载，必须说明以下几点： 运算符重载函数名必须为：operator 运算符的重载是通过调用运算符重载函数实现的。调用函数时，左操作数为调用重载函数的对象，右操作数作为函数的实参，实参可以是对象、实数等其它类型。 形参说明：若重载函数为成员函数，则参加二元运算的左操作数为调用重载函数的对象。因此，重载函数为成员函数的参数通常为一个，即右操作数。 运算符重载函数的返回类型。若二个同类对象进行二元运算后的结果类型仍为原类型，则运算符重载函数的返回类型应为原类型。 C+中允许重载的运算符（4）C+中允许重载的运算符如下表所示。+*/%&|!,=+= =!=&|+= =*=/=%=&=! = ( ) * newdeleteC+中不允许重载的运算符运算符运算符的含义不允许重载的原因？：三目运算符 在C+中没有定义一个三目运算符的语法 成员操作符为保证成员操作符对成员访问的安全性，故不允许重载*成员指针操作符同上：作用域运算符因该操作符左边的操作数是一个类型名，而不是一个表达式sizeof 求字节数操作符其操作数是一个类型名，而不是一个表达式（5）C+中不允许重载的运算符如下表所示。2.运算符重载函数为友元函数 （1）重载运算符的定义格式 (形参1，形参2) 函数体 其中，形参1与形参2常为参加运算的两个对象的引用。 当重载函数为友元普通函数时，该重载函数不能用对象调用，因此参加运算的两个对象必须以形参方式传送到重载函数体内，所以形参通常为两个参加运算的对象。运算符重载函数为友元函数（2）重载函数的调用格式 (实参1，实参2)； 其中实参1，实参2分别是重载运算符的左操作数和右操作数。 【例11.3】用友元运算符重载函数实现【例11.2】中复数的加法运算。例程成员函数与友元函数作为重载函数的差别（3）成员函数与友元函数作为重载函数的差别： 用成员函数与友元函数作为运算符重载函数，就运算符的使用来讲是一样，但编译器处理方法是不同的。 当重载函数为成员函数时，二元运算符的左操作数为调用重载函数的对象。右操作数为实参。当重载函数为友元函数时，二元运算符的左操作数为调用重载函数的第一个实参。右操作数为第二个实参。 11.2.3 一元运算符重载1.一元运算符重载函数为类的成员函数（1）重载函数的定义格式： :operator (形参) 函数体对典型一元运算符“+”、“”分前置与后置进行讨论。 “+”为前置运算符，定义格式： :operator +( ) 函数体 “+”为后置运算符，定义格式： :operator +( int ) 函数体一元运算符重载函数为类的成员函数（2）重载函数的调用格式 前置“+”运算符，调用格式： .operator +( )； 后置“+”运算符，调用格式： .operator +(1)； 【例11.4】定义一个描述时间计数器的类，其三个数据成员分别用于存放：时、分和秒。用成员函数重载“+”运算符，实现计数器对象的加1运算。例程2.一元运算符重载函数为友元函数 （1）重载函数定义格式 : operator (类名 &对象) 函数体 前置“+”运算符重载函数定义格式： : operator+ ( 类名 & ) 函数体 后置“+”运算符重载函数定义格式： : operator + ( 类名 & ，int ) 函数体 其中，int 只是用于区分是前置还是后置运算符，并无实际意义。一元运算符重载函数为友元函数 （2）重载函数调用格式前置“+”运算符重载函数调用格式： operator +()；后置“+”运算符重载函数的调用格式： operator +(，1)；【例11.5】定义一个描述时间计数器的类，其三个数据成员分别用于存放：时、分和秒。用友元函数重载“+”运算符，实现计数器对象的加1运算。 【例11.6】定义描述三维空间点(x,y,z)的类，用成员函数实现空间两个点相加的“+”运算符重载，用友元函数实现空间一个点“+”运算符的重载。 例程例程11.2.4 字符串类运算符重载 举例说明字符串运算符重载函数的定义与调用方法，及重载后字符串运算符的使用方法。 【例11.7】编写字符串运算符“=”与“+”的重载函数，使运算符“=”与“+”能完成两个字符串的赋值与拼接运算，实现字符串直接操作运算。分别用成员函数与友员函数编写重载函数。 【例11.8】编写字符串运算符“”的重载函数，使运算符“”能完成两个字符串的比较运算，实现字符串直接比较。分别用成员函数与友元函数编写重载函数。 例程例程11.3 多态性与虚函数11.3.1 多态性技术1.多态性技术的概念 （1）多态性技术：调用同名函数完成不同的函数功能，或使用同名运算符完成不同的运算功能。 （2）多态性常用重载技术与虚函数来实现。 （3）多态性分为两类：编译时的多态性和运行时的多态性。 多态性技术2编译时的多态性 通过函数的重载或运算符的重载来实现的。也称静态多态性。 3运行时的多态性 运行时的多态性也称为动态多态性，运行时的多态性是指在程序执行前，根据函数名和参数无法确定应该调用哪一个函数，必须在程序执行过程中，根据具体执行情况来动态地确定。 运行时的多态性是通过类的继承关系和虚函数来实现的。11.3.2 虚函数1虚函数概念 在基类中用关键字 virtual修饰的成员函数称为虚函数。2虚函数定义格式 virtual （参数） 函数体3用虚函数实现动态多态性的方法（1）在基类中定义虚函数（2）在派生类中定义与基类虚函数同名同参数同返回类型的成员函数，即派生类中的虚函数。（3）在主函数中操作步骤： 用基类定义指针变量。 将基类对象地址或派生类对象地址赋给该指针变量。 用 （实参）；方式去调用基类或派生类中的虚函数。用虚函数实现动态多态性举例 【例11.9】定义基类High，数据成员为高H，定义成员函数Show()为虚函数。然后再由High派生出长方体类Cuboid与圆柱体类Cylinder。并在两个派生类中定义成员函数Show()为虚函数。在主函数中，用基类High定义指针变量p，然后用指针p动态调用基类与派生类中虚函数Show()，显示长方体与圆柱体的体积。 关于虚函数有几点说明： （1）派生类虚函数必须与基类虚函数同名同参数同返回类型。 （2）实现动态的多态性时，必须使用基类类型的指针变量，使该指针指向不同派生类的对象，并通过调用指针所指向的虚函数才能实现动态的多态性。例程虚函数的说明（3）虚函数必须是类的一个成员函数，不能是友元函数，也不能是静态的成员函数。（4）若派生类中没有定义虚函数，将派生类对象地址赋给基类定义的指针变量后，用指针变量虚函数(实参)；方式去调用虚函数时，调用的虚函数是基类的虚函数。 （5）可将析构函数定义为虚函数，但不能将构造函数定义为虚函数。（6）虚函数与一般函数相比较，调用时执行速度要慢一些。为了实现多态性。在每一个派生类中均要保持相应虚函数的入口地址表，函数调用机制也是间接实现的。11.3.3 纯虚函数 1.纯虚函数的概念 在定义一个基类时，若无法定义基类中虚函数的具体操作，虚函数的具体操作完全取决于其不同的派生类。这时，可将基类中的虚函数定义为纯虚函数。 2.纯虚函数定义格式： virtual (形参表)=0； 3.纯虚函数特点：（1）纯虚函数无函数体，在派生类中没有重新定义纯虚函数之前，不能调用该函数。（2）将函数名赋值为0的含义是，将指向函数体的指针值赋初值0。纯虚函数特点（3）将至少包含一个纯虚函数的类称为抽象类。这种类只能作为派生类的基类，不能用来说明对象。 【例11.10】定义抽象基类High，数据成员为高H，定义Show()为纯虚函数。然后再由High派生出长方体类Cuboid与圆柱体类Cylinder。并在两个派生类中重新定义虚函数Show()。在主函数中，用基类High定义指针变量p，然后用指针p动态调用派生类中虚函数Show()，显示长方体与圆柱体的体积。（4）在以抽象类作为基类的派生类中必须有纯虚函数的实现部分，即必须有重载纯虚函数的函数体。否则，这样的派生类也是不能产生对象的。 例程11.4 类与对象的特性1.封装性2.派生与继承性3.多态性4.对象的消息机制本章小结1.友元 为了能在类外直接使用类的私有成员或保护成员，C+提供了友元。将普通函数定义为某类的友元函数的方法，是在该类中增加用freind修饰的普通函数原型说明： friend (形参)； 此时，可在 中使用类的私有成员或保护成员。2.运算符重载 运算符重载是指用同一运算符完成不同的运算操作。 运算符重载是通过运算符重载函数来实现的。 运算符重载函数分为一元运算符重载函数和二元运算符重载函数。 运算符重载函数可通过成员函数或友元函数来实现。 （1）二元运算符重载函数 用成员函数重载运算符： :(形参) 函数体 在执行运算符操作时，编译器将对运算符的操作解释为对运算符成员重载函数的调用，并将运算符左操作数作为调用重载函数的对象，右操作数作为重载函数的实参。即重载成员函数的调用形式为： .(右操作数)； 二元运算符重载函数用友元函数重载运算符 重载函数作为普通友元函数一般应写在类外。在类中作引用性说明： friend (形参1，形参2) 函数体 在执行运算符操作时，编译器将对运算符的操作解释为对运算符友元重载函数的调用，并将运算符左、右操作数作为调用友元重载函数的实参。即重载友员函数的调用形式为： (左操作对象，右操作对象)； （2）一元运算符重载函数 用成员函数重载“+”运算符前置+：:()后置+：:(int)用友元函数重载“+”运算符前置+：friend :( 类名 &)后置+：friend :(类名&,int) 其中形参中的int 只用于区别前置+重载函数，还是后置+重载函数，并无整型参数的含义。对于前置+成员函数，必须用this指针返回自加结果。 （3）字符串运算符重载函数 使用字符串运算符重载函数，可使字符串拷贝、拼接、比较等操作直接用字符串运算符“=”、“+”、“”、“”来进行。字符串常进行二元运算，其重载函数的定义格式与二元运算符重载函数相同。3.多态性技术 多态性技术是指调用同名函数完成不同的函数功能，或使用同名运算符完成不同的运算功能。它常用重载函数与虚函数来实现。 函数重载或运算符重载均属于编译时的多态性，而虚函数则属于运行时的多态性。 4.虚函数 在基类中用关键字 virtual修饰的成员函数称为虚函数，定义格式为： virtual （参数） 函数体 用虚函数实现“运行时的多态性”的方法是：在派生类中定义与基类虚函数同名同参数同返回类型的虚函数，用基类定义指针变量p，将基类或派生类对象的地址赋给p（即p=&对象）后，用p-虚函数，则可实现“运行时的多态性”。 5.纯虚函数 将函数名赋0值且无函数体的虚函数称为纯虚函数，定义格式为： virtual （参数）=0； 含有纯虚函数的类称为抽象类，不能用抽象类定义对象。因为纯虚函数无函数体，所以纯虚函数不能调用，因此必须在派生类中重新定义虚函数。 例11.1# include class Cuboid private: float Length,Width,High; public: Cuboid(float l,float w,float h) /构造函数 Length=l;Width=w; High=h; friend float Volume(Cuboid &); /将普通函数定义为友元函数; /以便使用类中私有数据 float Volume(Cuboid &c) /求体积的普通函数 return c.Length*c.Width*c.High;void main (void) Cuboid c(10,20,30); /定义对象c，并初始化 cout长方体积=Volume(c)endl; /调用友元函数求体积返回返回例11.2（1）# include class Complex private: float Real,Image; public: Complex(float r=0,float i=0) Real=r;Image=i; void Show(int i) coutci= Real+Imageiendl; Complex operator + (Complex &); Complex operator + (float); ; Complex Complex:operator + (Complex &c) Complex t; t.Real=Real+c1.Real; t.Image=Image+c1.Image; return t; 例11.2（2） Complex Complex :operator + (float s) Complex t; t.Real=Real+s; t.Image=Image; return t; void main(void) Complex c1(25,50),c2(100,200),c3; c1.Show(1); c2.Show(2); c3=c1+c2; /c3=(25+50i)+(100+200i)=125+250i c3.Show(3); c1=c1+200; /c1=25+50i+200=225+50i c1.Show(1); 返回返回例11.3（1）# include class Complex private: float Real,Image; public: Complex(float r=0,float i=0) Real=r;Image=i; void Show(int i) coutci= Real+Imageiendl; friend Complex operator + (Complex & ,Complex &); /“+”重载函数为友元函数 friend Complex operator + (Complex &,float); ; 例11.3（2）Complex operator + (Complex &c1, Complex &c2)/普通函数 Complex t; t.Real=c1.Real+c2.Real; t.Image=c1.Image+c2.Image; return t; Complex operator + (Complex &c,float s) Complex t; t.Real=c.Real+s; t.Image=c.Image; return t; 例11.3（3）void main(void) Complex c1(25,50),c2(100,200),c3; c1.Show(1); c2.Show(2); c3=c1+c2; /c3=(25+50i)+(100+200i)=125+250i c3.Show(3); c1=c1+200; /c1=25+50i+200=225+50i c1.Show(1); 返回返回例11.4（1）# include class TCount /定义计数器类TCount private: int Hour,Minute,Second;/数据成员时、分、秒 public: TCount (int h=0,int m=0,int s=0)/定义默认值为0的构造函数 Hour=h;Minute=m;Second=s; TCount operator +( );/定义“前置+”运算符重载成员函数 TCount operator +( int ); /定义“后置+”运算符重载成员函数 void Show(int i ) /定义显示时：分：秒的成员函数 coutti=Hour:Minute:Secondendl;例11.4（2）TCount TCount :operator + () /定义“前置+”运算符重载函数（无形参） Second+;/秒单元加1 if (Second=60) /秒单元满60，清0后分单元加1 Second=0; Minute+; if (Minute=60)/分单元满60后，清0时单元加1 Minute=0; Hour+; if (Hour=24) Hour=0; return *this;例11.4（3）TCount TCount:operator+ (int ) /定义“后置+”运算符重载函数（有int） TCount temp=*this; Second+; if (Second=60) Second=0; Minute+; if (Minute=60) Minute=0; Hour+; if (Hour=24) Hour=0; return temp;例11.4（4）void main(void) TCount t1(10,25,50),t2,t3; /定义时间计数器对象t1=10:25:50 t1.Show(1); t2=+t1; /先加后用，即：先将t1自加，然后将t1赋给t2 t1.Show(1); t2.Show(2); t3=t1+; /先用后加，即：先将t1赋给t3，然后将t1自加 t1.Show(1); t3.Show(3);返回返回例11.5（1）# include class TCount private: int Hour,Minute,Second; public: TCount() Hour=Minute=Second=0; TCount (int h,int m,int s) Hour=h;Minute=m;Second=s; friend TCount &operator +(TCount &t ); /“前置+”运算符重载友元函数 friend TCount operator +( TCount &t ,int ); /“后置+”运算符重载友元函数 void Show(int i ) coutti=Hour:Minute:Secondendl;例11.5（2）TCount &operator + (TCount & t) /定义“前置+”重载友元函数 t.Second+; /计数器对象t的秒加1 if (t.Second=60) /秒单元满60，清0分，单元加1 t.Second=0; t.Minute+; if (t.Minute=60) /分单元满60，清0时，单元加1 t.Minute=0; t.Hour+; if (t.Hour=24) /时单元满60，清0 t.Hour=0; return t; /返回自加后的对象t例11.5（3）TCount operator+ (TCount & t,int ) /定义“后置+”重载友元函数 TCount temp=t;/用临时对象temp存放加1前的t值 t.Second+;/对秒、分、时单元的加1操作 if (t.Second=60) t.Second=0; t.Minute+; if (t.Minute=60) t.Minute=0; t.Hour+; if (t.Hour=24) t.Hour=0; return temp;/返回加1前的t值例11.5（4）void main(void) TCount t1(10,25,50),t2,t3; /t1=10:25:50 t1.Show(1); t2=+t1; /先加后用 t1.Show(1); t2.Show(2); t3=t1+; /先用后加 t1.Show(1); t3.Show(3); 返回返回例11.6（1）# include class ThreeD float x,y,z; public: ThreeD( float a=0,float b=0,float c=0) x=a;y=b;z=c; ThreeD operator + (ThreeD & t) /二个点坐标相加的“+”运算符重载成员函数 ThreeD temp; temp.x=x+t.x; temp.y=y+t.y; temp.z=z+t.z; return temp; friend ThreeD & operator +(ThreeD &); /坐标点前置“+”运算符重载友元函数 friend ThreeD operator +(ThreeD &,int);/坐标点后置“+”运算符重载友元函数 void Show() coutx=xty=ytz=zendl; ;例11.6（2）ThreeD & operator + (ThreeD & t) t.x+; t.y+;t.z+; return t; ThreeD operator + (ThreeD & t,int i) ThreeD temp =t; t.x+; t.y+;t.z+; return temp; 例11.6（3）void main(void) ThreeD m1(25,50,100),m2(1,2,3),m3; m1.Show(); +m1; m1.Show(); m2+; m2.Show(); m3=+m1+m2+; m3.Show(); 返回返回例11.7.1 用成员函数的程序设计（1）# include # include class String/定义字符串类 private : int Length; char *Sp; public: String() /定义默认的构造函数 Sp=0;Length=0; String(const char *s) /定义有参构造函数 Length=strlen(s); Sp=new charLength +1; strcpy(Sp,s); 例11.7.1 用成员函数的程序设计（2） void Delete() /定义动态回收内存函数 if (Sp) delete Sp; void Show() /定义显示字符串函数 coutSpendl; void operator=(String &);/定义字符串赋值成员函数 String operator + ( String &); /定义字符串拼接成员函数;String String: operator + (String & s) String t; t.Length=Length+s.Length; t.Sp=new char t.Length+1; strcpy(t.Sp,Sp); strcat(t.Sp,s.Sp); return t;例11.7.1 用成员函数的程序设计（3）void String:operator=(String &s)if (Sp) delete Sp; Length=s.Length; if (s.Sp) Sp=new char Length+1; strcpy(Sp,s.Sp); else Sp=0;例11.7.1 用成员函数的程序设计（4）void main (void) String s1(software and ),s2(hardware),s3; s1.Show(); s2.Show(); s3=s1+s2; s3.Show(); s1.Delete(); s2.Delete(); s3.Delete();例11.7.2 用友元函数的程序设计将String类中“+”重载函数的原型说明改为友元函数说明如下： friend String operator + ( String &,String &); 将“+”重载函数定义改为普通函数定义如下：String operator + (String & s1,String & s2) String t; t.Length=s1.Length+s2.Length; t.Sp=new char t.Length+1; strcpy(t.Sp,s1.Sp); strcat(t.Sp,s2.Sp); return t;返回返回例11.8（1）# include # include class String/定义字符串类 private: int Length; char *Sp; public: String(char *s) /定义有参构造函数 Length=strlen(s); Sp=new charLength +1; strcpy(Sp,s); 例11.8（2）String() /定义析构函数 if (Sp) delete Sp; void Show() /定义显示字符串函数 coutSp(String &s) if (strcmp(Sp,s.Sp)0) return 1; else return 0; ;void main (void) String s1(software),s2(hardware); s1.Show(); s2.Show(); if (s1s2) couts2endl; else couts1s2endl;返回返回例11.9（1）# include class High protected: float H; public: High(float h) H=h; virtual void Show()/在基类中定义虚函数Show() coutHigh=Hendl;例11.9（2）class Cuboid:public High private: float Length,Width; public: Cuboid(float l=0,float w=0,float h=0):High(h) Length=l; Width=w; void Show()/在长方体派生类中定义虚函数Show() coutLength=Lengtht; coutWidth=Widtht; coutHigh=Hn; coutCuboid Volume=Length*Width*Hendl; ;例11.9（3）class Cylinder:public High private: float R; public: Cylinder(float r=0,float h=0):High(h) R=r; void Show() /在圆柱体派生类中定义虚函数Show() coutRadius=Rt; coutHigh=Hn; coutCylinder Volume=R*R*3.1415*HShow(); p=&cu; p-Show(); p=&cy; p-Show();返回返回例11.10（1）# include class High protected: float H; public: High(float h) H=h; virtual void Show()=0;/在基类中定义纯虚函数Show();例11.10（2）class Cuboid:public High private: float Length,Width; public: Cuboid(float l=0,float w=0,float h=0):High(h) Length=l; Width=w; void Show() /在长方体派生类中定义虚函数Show() coutLength=Lengtht; coutWidth=Widtht; coutHigh=Hn; coutCuboid Volume=Length*Width*Hendl; ;例11.10（3）class Cylinder:public High private: float R; public: Cylinder(float r=0,float h=0):High(h) R=r; void Show()/在圆柱体派生类中定义虚函数Show() coutRadius=Rt; coutHigh=Hn; coutCylinder Volume=R*R*3.1415*HShow(); p=&cy; p-Show();返回返回