详解C++编程中的重载流插入运算符和流提取运算符

C++的流插入运算符“<<”和流提取运算符“>>”是C++在类库中提供的，所有C++编译系统都在类库中提供输入流类istream和输出流类ostream。cin和cout分别是istream类和ostream类的对象。在类库提供的头文件中已经对“<<”和“>>”进行了重载，使之作为流插入运算符和流提取运算符，能用来输出和输入C++标准类型的数据。因此，凡是用“cout<<”和“cin>>”对标准类型数据进行输入输出的，都要用#include 把头文件包含到本程序文件中。

用户自己定义的类型的数据，是不能直接用“<<”和“>>”来输出和输入的。如果想用它们输出和输入自己声明的类型的数据，必须对它们重载。

对“<<”和“>>”重载的函数形式如下：

  istream & operator >> (istream &, 自定义类 &);
  ostream & operator << (ostream &, 自定义类 &);

即重载运算符“>>”的函数的第一个参数和函数的类型都必须是istream&类型，第二个参数是要进行输入操作的类。重载“<<”的函数的第一个参数和函数的类型都必须是ostream&类型，第二个参数是要进行输出操作的类。因此，只能将重载“>>”和“<<”的函数作为友元函数或普通的函数，而不能将它们定义为成员函数。
重载流插入运算符“<<”

在程序中，人们希望能用插入运算符“<<”来输出用户自己声明的类的对象的信息，这就需要重载流插入运算符“<<”。

[例] 用重载的“<<”输出复数。

#include <iostream>
using namespace std;
class Complex
{
  public:
  Complex( ){real=0;imag=0;}
  Complex(double r,double i){real=r;imag=i;}
  Complex operator + (Complex &c2); //运算符“+”重载为成员函数
  friend ostream& operator << (ostream&,Complex&); //运算符“<<”重载为友元函数
  private:
  double real;
  double imag;
};
Complex Complex::operator + (Complex &c2)//定义运算符“+”重载函数
{
  return Complex(real+c2.real,imag+c2.imag);
}
ostream& operator << (ostream& output,Complex& c) //定义运算符“<<”重载函数
{
  output<<"("<<c.real<<"+"<<c.imag<<"i)"<<endl;
  return output;
}
int main( )
{
  Complex c1(2,4),c2(6,10),c3;
  c3=c1+c2;
  cout<<c3;
  return 0;
}

注意，在Visual C++ 6.0环境下运行时，需将第一行改为#include <iostream.h>，并删去第2行，否则编译不能通过。运行结果为：

(8+14i)

可以看到在对运算符“<<”重载后，在程序中用“<<”不仅能输出标准类型数据，而且可以输出用户自己定义的类对象。用“cout<<c3”即能以复数形式输出复数对象c3的值。形式直观，可读性好，易于使用。

下面对怎样实现运算符重载作一些说明。程序中重载了运算符“<<”，运算符重载函数中的形参output是ostream类对象的引用，形参名output是用户任意起的。分析main函数最后第二行：

  cout<<c3;

运算符“<<”的左面是cout，前面已提到cout是ostream类对象。“<<”的右面是c3，它是Complex类对象。由于已将运算符“<<”的重载函数声明为Complex类的友元函数，编译系统把“cout<<c3”解释为

  operator<<(cout, c3)

即以cout和c3作为实参，调用下面的operator<<函数：

  ostream& operator<<(ostream& output,Complex& c)
  {
    output<<"("<<c.real<<"+"<<c.imag<<"i)"<<endl;
    return output;
  }

调用函数时，形参output成为cout的引用，形参c成为c3的引用。因此调用函数的过程相当于执行：

cout<<″(″<<c3.real<<″+″<<c3.imag<<″i)″<<endl; return cout;

请注意，上一行中的“<<”是C++预定义的流插入符，因为它右侧的操作数是字符串常量和double类型数据。执行cout语句输出复数形式的信息。然后执行return语句。

请思考，return  output的作用是什么？回答是能连续向输出流插入信息。output是ostream类的对象，它是实参cout的引用，也就是cout通过传送地址给output，使它们二者共享同一段存储单元，或者说output是cout的别名。因此，return output就是return cout，将输出流cout的现状返回，即保留输出流的现状。

请问返回到哪里？刚才是在执行

  cout<<c3;

在已知cout<<c3的返回值是cout的当前值。如果有以下输出：

  cout<<c3<<c2;

先处理

  cout<<c3

即

  (cout<<c3)<<c2;

而执行(cout<<c3)得到的结果就是具有新内容的流对象cout，因此，(cout<<c3)<<c2相当于cout(新值)<<c2。运算符“<<”左侧是ostream类对象cout，右侧是Complex类对象c2，则再次调用运算符“<<”重载函数，接着向输出流插入c2的数据。现在可以理解了为什么C++规定运算符“<<”重载函数的第一个参数和函数的类型都必须是ostream类型的引用，就是为了返回cout的当前值以便连续输出。

请读者注意区分什么情况下的“<<”是标准类型数据的流插入符，什么情况下的“<<”是重载的流插入符。如

  cout<<c3<<5<<endl;

有下划线的是调用重载的流插入符，后面两个“<<”不是重载的流插入符，因为它的右侧不是Complex类对象而是标准类型的数据，是用预定义的流插入符处理的。

还有一点要说明，在本程序中，在Complex类中定义了运算符“<<”重载函数为友元函数，因此只有在输出Complex类对象时才能使用重载的运算符，对其他类型的对象是无效的。如

  cout<<time1; //time1是Time类对象，不能使用用于Complex类的重载运算符

重载流提取运算符“>>”

C++预定义的运算符“>>”的作用是从一个输入流中提取数据，如“cin>>i;”表示从输入流中提取一个整数赋给变量i(假设已定义i为int型)。重载流提取运算符的目的是希望将“>>”用于输入自定义类型的对象的信息。

[例] 在上例的基础上，增加重载流提取运算符“>>”，用“cin>>”输入复数，用“cout<<”输出复数。

#include <iostream>
using namespace std;
class Complex
{
  public:
  friend ostream& operator << (ostream&,Complex&); //声明重载运算符“<<”
  friend istream& operator >> (istream&,Complex&); //声明重载运算符“>>”
  private:
  double real;
  double imag;
};
ostream& operator << (ostream& output,Complex& c) //定义重载运算符“<<”
{
  output<<"("<<c.real<<"+"<<c.imag<<"i)";
  return output;
}
istream& operator >> (istream& input,Complex& c) //定义重载运算符“>>”
{
  cout<<"input real part and imaginary part of complex number:";
  input>>c.real>>c.imag;
  return input;
}
int main( )
{
  Complex c1,c2;
  cin>>c1>>c2;
  cout<<"c1="<<c1<<endl;
  cout<<"c2="<<c2<<endl;
  return 0;
}

运行情况如下：

input real part and imaginary part of complex number:3 6
input real part and imaginary part of complex number:4 10
c1=(3+6i)
c2=(4+10i)

以上运行结果无疑是正确的，但并不完善。在输入复数的虚部为正值时，输出的结果是没有问题的，但是虚部如果是负数，就不理想，请观察输出结果。

input real part and imaginary part of complex number:3 6
input real part and imaginary part of complex number:4 -10
c1=(3+6i)
c2=(4+-10i)

根据先调试通过，最后完善的原则，可对程序作必要的修改。将重载运算符“<<”函数修改如下：

ostream& operator << (ostream& output，Complex& c)
{
  output<<"("<<c.real;
  if(c.imag>=0) output<<"+";//虚部为正数时，在虚部前加“+”号
  output<<c.imag<<"i)"<<endl; //虚部为负数时，在虚部前不加“+”号
  return output;
}

这样，运行时输出的最后一行为c2=(4-10i) 。

可以看到，在C++中，运算符重载是很重要的、很有实用意义的。它使类的设计更加丰富多彩，扩大了类的功能和使用范围，使程序易于理解，易于对对象进行操作，它体现了为用户着想、方便用户使用的思想。有了运算符重载，在声明了类之后，人们就可以像使用标准类型一样来使用自己声明的类。类的声明往往是一劳永逸的，有了好的类，用户在程序中就不必定义许多成员函数去完成某些运算和输入输出的功能，使主函数更加简单易读。好的运算符重载能体现面向对象程序设计思想。

可以看到，在运算符重载中使用引用(reference)的重要性。利用引用作为函数的形参可以在调用函数的过程中不是用传递值的方式进行虚实结合，而是通过传址方式使形参成为实参的别名，因此不生成临时变量(实参的副本)，减少了时间和空间的开销。此外，如果重载函数的返回值是对象的引用时，返回的不是常量，而是引用所代表的对象，它可以出现在赋值号的左侧而成为左值(left value)，可以被赋值或参与其他操作(如保留cout流的当前值以便能连续使用“<<”输出)。但使用引用时要特别小心，因为修改了引用就等于修改了它所代表的对象。