重载运算符和转换

--转换与类类型【上】

引言：

在前面我们提到过：能够用一个实參调用的非explicit构造函数定义一个隐式转换。当提供了实參类型的对象须要一个类类型的对象时。编译器将使用该转换。

于是：这样的构造函数定义了到类类型的转换。

除了定义到类类型的转换之外，还能够定义从类类型到其它类型的转换。即：我们能够定义转换操作符，给定类类型的对象。该操作符将产生其它类型的对象。和其它转换一样，编译器将自己主动应用这个转换。

一、转换为什么实用？

定义一个SmallInt的类,该类实现安全小整数,这个类将使我们能够定义对象以保存与 8位 unsignedchar 相同范围的值,即：0到255。

这个类能够捕获下溢和上溢错误,因此使用起来比内置unsignedchar 更安全。

我们希望这个类定义unsignedchar 支持的全部操作。详细而言,我们想定义5个算术操作符(+、-、*、/、%)及其相应的复合赋值操作符,4个关系操作符(<、<=、>、>=),以及相等操作符(==、!=)。显然,须要定义16个操作符%>_<%。

1、支持混合类型表达式

并且,我们希望能够在混合模式表达式中使用这些操作符。比如,应该能够将两个SmallInt对象相加,也能够将随意算术类型加到SmallInt。

通过为每一个操作符定义三个实例来达到目标:

int operator+(int,const SmallInt &);

int operator+(const SmallInt &,int);

SmallInt operator+(const SmallInt &,const SmallInt &);

可是。这个设计仅仅接近内置整数运算的行为，它不能适用于处理浮点类型的混合模式，也不能适当支持long、unsignedint或unsignedlong的加运算。

2、转换降低所需操作符的数目

C++提供了一种机制：一个类能够定义自己的转换,应用于其类类型对象。对SmallInt而言,能够定义一个从SmallInt到 int类型的转换。假设定义了该转换,则无须再定义不论什么算术、关系或相等操作符（不然要定义48个！）。给定到int的转换,SmallInt对象能够用在不论什么可用int值的地方。

假设存在一个到int的转换，则下面代码：

    SmallInt si(3);

    /**能够存在这样的转换：

    *1. 将si转换成为int值

    *2. 将所得 int 结果转换为 double 值并与双精度字面值常量 3.14159 相加,

    *   得到 double 值

    */

    si + 3.1415926;

二、转换操作符

转换操作符是一种特殊的类成员函数((⊙o⊙)真的非常特殊！)：它定义将类类型值转变为其它类型值的转换。转换操作符在类定义体内声明，在保留字operator之后紧跟着转换的目标类型：

class SmallInt

{

public:

    SmallInt(int i = 0):val(i)

    {

        if (i < 0 || i > 255)

        {

            throw std::out_of_range("Bad SmallInt initializer");

        }

    }

    operator int() const

    {

        return val;

    }

private:

    std::size_t val;

};

转换函数採用例如以下通用形式：

    operator type();

这里，type表示内置类型名、类类型名或由类型别名所定义的名字。

对不论什么可作为函数返回类型的类型(除了void之外)都能够定义转换函数。一般而言,不同意转换为数组或函数类型,转换为指针类型(数据和函数指针)以及引用类型是能够的。

【注意】

转换函数必须是成员函数,不能指定返回类型,并且形參表必须为空。

尽管转换函数不能指定返回类型,可是每一个转换函数必须显式返回一个指定类型的值。比如，operatorint 返回一个int值;假设定义operatorSales_item,它将返回一个Sales_item对象,诸如此类。

【最佳实践】

转换函数一般不应该改变被转换的对象。因此，转换操作符通常定义为const成员。

1、使用类类型转换

仅仅要存在转换，编译器将在能够使用内置转换的地方自己主动调用它：

1）在表达式中：

    SmallInt si;

    double dval;

    si >= dval; //si转换为int，然后它们转换成为double

2）在条件中：

    if (si) //si转换为int，然后它们转换成为bool

    {

        //...

    }

3）将实參传给函数或从函数返回值：

    int calc(int);

    SmallInt si;

    calc(si);   //si转换为int。然后调用函数calc

4）作为重载操作符的操作数：

    cout << si << endl;   //si转换为int。然后调用opreator<<

5）在显式类型转换中：

    int ival;

    SmallInt si = 3.14;

    //显式将si转换成为int

    ival = static_cast<int>(si) + 3;

2、类类型转换和标准转换

使用转换函数时，被转换的类型不必与所须要的类型全然匹配。必要时能够在类类型转换之跟上标准转换以获得想要的类型。

    SmallInt si;

    double dval;

    si >= dval; //si转换成为int然后标准转换成为double

3、仅仅能应用一个类类型转换

类类型转换之后不能再跟还有一个类类型转换。假设须要多个类类型转换，则代码出错！

class Intergral

{

public:

    Intergral(int i):val(i){}

    operator SmallInt () const

    {

        return val % 256;

    }

private:

    std::size_t val;

};

能够在须要SmallInt的地方使用Intergral。但不能在须要int的地方使用Intergral：

    int calc(int);

    Intergral intVal;

    SmallInt si(intVal);    //OK：intVal转换成为SmallInt

    int i = calc(si);       //OK：si转换成为int

    int j = call(intVal);   //Error

在最后的 calc调用中：没有从Integral到 int的直接转换。从int须要两次类类型转换:首先从Integral到 SmallInt,然后从SmallInt到int。

可是,语言仅仅同意一次类类型转换,所以该调用出错。

4、标准转换可放在类类型转换之前

使用构造函数运行隐式转换的时候，构造函数的形參类型不必与所提供的类型全然匹配。

    void calc(SmallInt);

    short sobj;

    /*

    *调用 SmallInt类中定义的构造函数(SmallInt(int)),

    *将 sobj 转换为 SmallInt 类型

    */

    calc(sobj);

假设须要,在调用构造函数运行类类型转换之前,可将一个标准转换序列应用于实參。

为了调用函数calc(),应用标准转换将dobj从 double类型转换为int类型,然后调用构造函数SmallInt(int)将转换结果转换为SmallInt类型。

    void calc(SmallInt);

    double dval;

    calc(dval);

    //作用等同于

    //calc(static_cast<int>(dval));

//P457 习题14.40

class Sales_item

{

public:

    Sales_item(const std::string &book = ""):

        isbn(book), units_sold(0), revenue(0.0) {}

    /**

    *事实上定义string和double的转换操作符并非一个好办法

    *由于一般不必在须要string和double的地方使用Sales_item对象

    */

    operator string () const

    {

        return isbn;

    }

    operator double () const

    {

        return revenue;

    }

//As before...

private:

    std::string isbn;

    unsigned units_sold;

    double revenue;

};

//习题14.42

class CheckoutRecord

{

public:

    typedef unsigned Date;

    operator bool () const

    {

        return wait_list.empty();

    }

    //As Before...

private:

    //As Before...

    vector< pair<string,string> * > wait_list;

};

三、实參匹配和转换

尽管类类型转换可能是实现和使用类的一个优点，但类类型转换也可能是编译时错误的一大来源。当从一个类型转换到还有一个类型有多种方式时，假设有几个类类型转换能够使用，编译器必须决定对给定表达式使用哪一个。

【小心地雷】

假设小心使用，类类型转换能够大大简化类代码和用户代码。假设使用得太过*随意。类类型转换会产生令人迷惑的编译时错误，这些错误难以理解并且难以避免！

1、实參匹配和多个转换操作符

class SmallInt

{

public:

    //从int/double转换到SmallInt

    SmallInt(int = 0);

    SmallInt(double);

    //从SmallInt转换到int/double

    operator int() const

    {

        return val;

    }

    operator double () const

    {

        return val;

    }

private:

    std::size_t val;

};

【小心地雷】

一般而言。给出一个类与两个内置类型之间的转换是不好的做法！

考虑最简单的调用非重载函数的情况：

    void compute(int);

    void fp_compute(double);

    void extended_compute(long double);

    SmallInt si;

    compute(si);            //OK

    fp_compute(si);         //OK

    extended_compute(si);   //Error

在这段程序中，任一转换操作符都可用于compute调用中：

1）operatorint 产生对形參类型的全然匹配。

2）首先调用operatordouble 进行转换,后跟从double到 int的标准转换与形參类型匹配。

由于全然匹配转换比须要标准转换的其它转换更好。因此，第一个转换序列更好，选择转换函数SmallInt::operatorint()来转换实參。

在第二个调用中,可用任一转换调用fp_compute。

可是,到double的转换是一个全然匹配,不须要额外的标准转换。

最后一个对extended_compute的调用有二义性。

能够使用任一转换函数,但每一个都必须跟上一个标准转换来获得longdouble,因此,没有一个转换比其它的更好,调用具有二义性。

【小结】

假设两个转换操作符都可用在一个调用中，并且在转换函数之后存在标准转换，则依据该标准转换的类别选择最佳匹配！

2、实參匹配和构造函数转换

正如可能存在两个转换操作符,也可能存在两个构造函数能够用来将一个值转换为目标类型。

    void manip(const SmallInt &);

    double d;

    int i;

    long l;

    manip(d);   //OK

    manip(i);   //OK

    manip(l);   //Error

在第一个调用中,能够用任一构造函数将d转换为 SmallInt类型的值：int构造函数须要对d的标准转换,而double构造函数全然匹配。由于全然匹配比标准转换更好,所以用构造函数SmallInt(double)进行转换。

在第二个调用中,构造函数SmallInt(int)提供全然匹配,调用接受一个double參数的 SmallInt构造函数须要首先将i转换为 double类型。

对于这个调用,则编译器更喜欢使用int构造函数转换实參。

第三个调用具有二义性。没有构造函数全然匹配于long。使用每一个构造函数之前都须要对实參进行转换:

1）标准转换(从long到 double)后跟SmallInt(double)。

2）标准转换(从long到 int)后跟SmallInt(int)。

这些转换序列是不能差别的,所以该调用具有二义性。

【小结】

当两个构造函数定义的转换都能够使用时,假设存在构造函数实參所需的标准转换,就用该标准转换的类型选择最佳匹配。

3、当两个类定义了转换时的二义性

当两个类定义了相互转换时。非常可能存在二义性：

class Integral;

class SmallInt

{

public:

    SmallInt(Integral);

    //...

};

class Integral

{

public:

    operator SmallInt() const;

    //...

};

    void compute(SmallInt);

    Integral int_val;

    /**

    *Error：调用有二义性

    *可是有些编译器还是检測不出来的，比方我所測试的g++编译器

    */

    compute(int_val);

实參int_val能够用两种不同的方式转换成为SmallInt对象，编译器能够接受SmallInt对象的构造函数(此处中文版翻译有误，原文为：...Thecompiler could use the SmallInt constructor that takes and Integralobject or it could use the Integral conversion operation thatconverts an Integral to aSmallInt...。所以应该翻译为SmallInt对象的构造函数。而不是Integral对象的构造函数)。也能够使用Integral对象转换为SmallInt对象的Integral转换操作。

由于这两个函数没有高下之分，所以这个调用会出错。

在这样的情况下,不能用显式类型转换来解决二义性—— 显式类型转换本身既能够使用转换操作又能够使用构造函数,相反,须要显式调用转换操作符或构造函数:

    compute(SmallInt(int_val)); //OK

    compute(int_val.operator SmallInt());   //OK

并且,由于某些似乎微不足道的原因,我们觉得可能有二义性的转换是合法的。比如,SmallInt类构造函数复制它的Integral实參,假设改变构造函数以接受constIntegral 引用:

class SmallInt

{

public:

    SmallInt(const Integral &);

    //...

};

则对 compute(int_val)的调用不再有二义性!原因在于使用SmallInt构造函数须要将一个引用绑定到int_val,而使用Integral类的转换操作符能够避免这个额外的步骤。这一小小差别足以使我们倾向于使用转换操作符。

【最佳实践】

避免二义性最好的方法是避免编写互相提供隐式转换的成对的类！

【警告：避免转换函数的过度使用 P460非常精彩的讲述！】

避免二义性最好的方法是,保证最多仅仅有一种途径将一个类型转换为还有一类型。做到这点,最好的办法是限制转换操作符的数目,尤其是,到一内置的类型，你应该只有一个转换。