C++基础——运算符重载友元函数示例
一、前言
其实本人学习c++的目的，只是为了体会oop设计思想，并为利用system verilog验证复杂设计做准备。如果想要真正做点软件方面项目级的东西，还需要掌握其他高级语言和库、框架等知识。因此该系列博文仅注重语言基础和设计思想。上一篇该系列博文讲述了c++中基本的类封装，这次利用运算符重载友元函数来体会下c++的灵活性。
二、运算符重载友元函数
本文同样以《c++ primer plus》中的一个简单示例来讲解此内容。场景如下：时间粗劣地分为时和分两部分。需要完成两个时间的相加、时间与倍数的相乘（这个操作不太恰当，凑活看吧）以及显示时间操作。先上代码：
类声明：
1 #ifndef mytime_h_
2 #define mytime_h_
3
4 using std::ostream;
5
6 class time
7 {
8 private:
9 int hours;
10 int minutes;
11 public:
12 time();
13 time(int h,int m=0);
14 void reset(int h = 0,int m = 0);
15 time operator+(const time& t) const;
16 time operator*(double mult) const;//成员函数
17
18 friend time operator*(double m,const time& t) //友元函数(inline)
19 {return t * m;}
20 friend ostream& operator<<(ostream & os,const time& t);//<<左侧必须是ostream对象 返回ostream&
21 };
22 #endif
类方法定义：
1 #include <iostream>
2 #include "mytime.h"
3
4 time::time()
5 {
6 hours = minutes = 0;
7 }
8
9 time::time(int h,int m)
10 {
11 hours = h;
12 minutes = m;
13 }
14
15 void time::reset(int h,int m)
16 {
17 hours = h;
18 minutes = m;
19 }
20
21 time time::operator+(const time& t) const
22 {
23 time sum;
24 sum.minutes = minutes + t.minutes;
25 sum.hours = hours +t.hours +sum.minutes / 60;
26 sum.minutes %= 60;
27 return sum;
28 }
29
30 time time::operator*(double mult) const
31 {
32 time result;
33 long totalminutes = hours * mult * 60 + minutes * mult;
34 result.hours = totalminutes / 60;
35 result.minutes = totalminutes % 60;
36 return result;
37 }
38
39 ostream& operator<<(ostream& os,const time& t)
40 {
41 os << t.hours << " hours, " << t.minutes << " minutes";
42 return os;
43 }
以上代码的设计原则是：想让time类对象的相加、与常数相乘以及打印操作与c++内置类型一致。因此+、*、<<三个符号必须进行运算符重载操作，即对此类对象使用这三个运算符时的具体实现细节需重新定义。声明格式为：<返回值类型> operator<op>()。但是这里存在一个问题，成员函数time operator*(double mult) 在被调用时，类对象必须放置在*符号左侧，也就是说当表达式为m*t(t为time类对象)时，编译器会报错。使用<<运算符打印time类对象时同样会遇到此问题。
为了实现用户友好，使用没有此限制的友元函数重载运算符是个不错的选择。友元函数是类接口的扩展，这类函数虽然不是类成员函数，但可以访问类私有成员。需要注意的一点是：<<输出数据时，左侧必须是ostream类对象。因此重载<<运算符时，必须使函数返回参数中ostream类对象本身才能正确编译cout << a << b;语句。这条语句与(cout << a) << b;等同。
三、应用程序及结果分析
应用程序示例代码：
1 #include <iostream>
2 #include "mytime.h"
3
4 using std::endl;
5
6 int main()
7 {
8 using std::cout;
9
10 time planning;
11 time coding(2,40);
12 time fixing(5,55);
13 time total;
14 time adjusted1,adjusted2;
15
16 cout << "planning time = ";
17 cout << planning << endl;
18
19 cout << "coding time = ";
20 cout << coding << endl;
21 cout << "fixing time = ";
22 cout << fixing << endl;
23 cout << endl;
24
25 total = coding + fixing;
26 cout << "coding + fixing = ";
27 cout << total << endl;
28
29 adjusted1 = total * 1.5;//调用成员函数
30 cout << "total * 1.5 = ";
31 cout << adjusted1 << endl;
32
33 adjusted2 = 1.5 * total;//调用友元函数
34 cout << "1.5 * total = ";
35 cout << adjusted2 << endl;
36
37 }
time类对象planning创建时隐式调用用户定义默认构造函数，而coding和fixing因有参数传递调用第二个构造函数，这正是c++的多态性质。可以看到，打印time类对象与打印c++内置类型对象无异。重点关注“*”运算符的使用，adjusted1和adjusted2表达式中乘法运算依次调用了成员函数和友元函数。c++编译器同样会自动识别用户的意图。打印结果如图：
应用程序运行正确，重载的两个time类对象的加法运算和time类对象与常数的乘法运算结果无误。之后的两篇博客依次讲述动态内存分配与类继承内容，有错误的地方欢迎指正。