Переопределение операции сложения

Практический курс по ООП C++: https://stepik.org/a/205781

Смотреть материал на YouTube | RuTube

Начиная с этого занятия, мы с вами рассмотрим возможность переопределения стандартных операций для объектов классов. И начнем с операции сложения.

О чем здесь речь? Давайте предположим, что у нас есть класс для представления времени:

class TimeDay {
    unsigned long time {0};
 
public:
    TimeDay() : time(0)
        { }
    TimeDay(unsigned char hs, unsigned char ms, unsigned char ss, unsigned int ds = 0)
        : time(ss + ms * 60 + hs * 3600 + ds * 86400)
        { }
 
    void get_time(unsigned int& days, unsigned char& hours, unsigned char& mins, unsigned char& secs) const
    {
        secs = time % 60;
        mins = time/60 % 60;
        hours = time/3600 % 24;
        days = time/86400;
    } 
};

Время здесь раскладывается по дням, часам, минутам и секундам. В самом классе TimeDay хранится одно число time – время в секундах. Далее, в функции main мы можем использовать этот класс, например, так:

int main()
{
    TimeDay t1(10, 45, 13), t2(4, 11, 50);
 
    unsigned d;
    unsigned char h, m ,s;
    
    t1.get_time(d, h, m, s);
    printf("%u: %02u:%02u:%02u", d, h, m, s);
 
    return 0;
}

Предположим теперь, что нам хотелось бы иметь возможность складывать объекты этого класса:

    TimeDay res = t1 + t2;

Но операция сложения для них не определена и компилятор выдаст ошибку. Однако мы можем добавить эту возможности и задать порядок выполнения операции сложения для наших объектов. Для этого в любом классе можно объявить специального вида метод, имя которого состоит из ключевого слова operator с символом переопределяемой операции:

class TimeDay {
    unsigned long time {0};
 
public:
...
    const TimeDay& operator + (const TimeDay& right) const
    {
    }
};

Я его записал с одним возвращаемым значением в виде константной ссылки на объект класса TimeDay, и одним параметром right тоже в виде константной ссылки. За что отвечает этот параметр и почему возвращается константная ссылка? Смотрите, когда выполняется сложение:

    TimeDay res = t1 + t2;

то компилятор автоматически подставит вместо сложения вызов нашего метода. При этом текущий объект, из которого был сделан вызов – это объект t1, в параметр right подставляется объект t2, а возвращаемое значение копируется в переменную res.

На самом деле это же сложение можно записать и с явным вызовом метода-оператора:

TimeDay res = t1.operator+(t2);

То есть, operator+ - это тоже метод, но который используется компилятором при вычислении операции сложения. Там, где она встречается для объектов класса TimeDay, будет использоваться метод operator+.

Теперь, почему в качестве параметра и возвращаемого типа используется константная ссылка? Конечно, можно было бы записать этот оператор и без ссылок. Результат от этого не изменился бы. Но тогда дополнительно выполнялась бы операция копирования объекта класса TimeDay в параметр right, и также происходило копирование при возврате значения. Это лишние операции, поэтому часто при переопределении операций используют ссылки. То же относится и к ключевому слову const, которое не обязано быть прописанным. Опять же – это правило хорошего тона при вызове метода, который гарантирует неизменность передаваемого объекта, не более того.

Давайте пропишем реализацию метода операции сложения:

class TimeDay {
    unsigned long time {0};
 
public:
...
    TimeDay(unsigned long tm)
        : time(tm)
        { }
 
...
    TimeDay operator + (const TimeDay& right)
    {
        return TimeDay(this->time + right.time);
    }
};

Для удобства я добавил еще один конструктор в класс с одним обязательным параметром. Напомню, что такой конструктор называется конструктором преобразования. В частности, он тип long переводит в объект TimeDay. Кроме того, сделал возврат копии объекта TimeDay вместо ссылки, так как созданный в методе временный объект перестает существовать при завершении этого метода. И, если бы была ссылка, то она вела бы на не существующий объект. Это тоже следует учитывать, когда мы используем ссылки в параметрах или возвращаемых значениях. Нужно быть уверенным в том, что объекты существуют необходимое нам время.

Благодаря добавлению конструктора преобразования, мы можем им воспользоваться следующим образом:

TimeDay res = t1 + 10;

Здесь 10 в операции сложения воспринимается компилятором, как целочисленный литерал типа int. Затем, с помощью конструктора преобразования число 10 (время в секундах) трансформируется в объект класса TimeDay и вызывается метод operator+. Результат копируется в переменную res. Напомню, что копирование встроено для объектов классов и структур и для этого вызывается конструктор копирования по умолчанию, который побайтно копирует данные из одного объекта в другой. В данном случае, нас это устраивает.

Так же, учитывая наличие конструктора преобразования, метод operator+ теперь может возвращать обычное число типа long:

    unsigned long operator + (const TimeDay& right) const
    {
        return this->time + right.time;
    }

Тогда в момент инициализации объекта res, это число сначала будет преобразовано во временный объект TimeDay, а затем, с ним будет вызван конструктор копирования.

Однако, обратите внимание, если операцию сложения наоборот:

TimeDay res = 10 + t1;

то возникнет ошибка на этапе компиляции. Так как метод operator+ должен вызываться через объект int:

TimeDay res = 10.operator+(t1);

А такого метода у объекта int просто не существует. Но мы все же можем выйти из этой ситуации, если определим операцию сложения в виде функции, а не метода. Да, так тоже можно делать. В нашем случае ее можно было бы записать так:

unsigned long operator + (const TimeDay& left, const TimeDay& right)
{
    return left.get_time() + right.get_time();
}

И добавить метод get_time в класс TimeDay:

unsigned long get_time() const { return time; }

Компилятор автоматически выберет подходящий метод для операции сложения и подставит его вызов при выполнении этой операции. Однако может возникнуть конфликт таких операторов, если объявлен метод и в классе и в виде отдельной функции. Если мы поменяем операнды в операции сложения:

TimeDay res = t1 + 10;

то возникает неопределенность: какой из двух подходов использовать? Поэтому операции следует переопределять либо методами, либо функциями.

Конечно, здесь может возникнуть вопрос, зачем вообще разрешили делать переопределение на уровне функций, или, наоборот, на уровне методов? Были бы только методы и такой неопределенности не возникало бы? Причина такого разнообразия в том, что иногда требуется определить операции для объектов уже существующих классов, которые мы не можем редактировать напрямую. И функции здесь единственная возможность для переопределения стандартных операций.

Практический курс по ООП C++: https://stepik.org/a/205781

Переопределение операции сложения

Видео по теме