C++輸入輸出流的重載

C++的流插入運算符“<<”和流提取運算符“>>”是C++在類庫中提供的，所有C++編譯系統都在類庫中提供輸入流類istream和輸出流類ostream。cin和cout分别是istream類和ostream類的對象。在類庫提供的頭檔案中已經對“<<”和“>>”進行了重載，使之作為流插入運算符和流提取運算符，能用來輸出和輸入C++标準類型的資料。是以，凡是用“cout<<”和“cin>>”對标準類型資料進行輸入輸出的，都要用#include 把頭檔案包含到本程式檔案中。

使用者自己定義的類型的資料，是不能直接用“<<”和“>>”來輸出和輸入的。如果想用它們輸出和輸入自己聲明的類型的資料，必須對它們重載。

對“<<”和“>>”重載的函數形式如下：

    istream & operator >> (istream &, 自定義類 &);

    ostream & operator << (ostream &, 自定義類 &);

即重載運算符“>>”的函數的第一個參數和函數的類型都必須是istream&類型，第二個參數是要進行輸入操作的類。重載“<<”的函數的第一個參數和函數的類型都必須是ostream&類型，第二個參數是要進行輸出操作的類。是以，隻能将重載“>>”和“<<”的函數作為友元函數或普通的函數，而不能将它們定義為成員函數

在程式中，人們希望能用插入運算符“<<”來輸出使用者自己聲明的類的對象的資訊，這就需要重載流插入運算符“<<”。

用重載的“<<”輸出複數

運作結果如下：

可以看到在對運算符“<<”重載後，在程式中用“<<”不僅能輸出标準類型資料，而且可以輸出使用者自己定義的類對象。用“cout<<c3”即能以複數形式輸出複數對象c3的值。形式直覺，可讀性好，易于使用。

下面對怎樣實作運算符重載作一些說明。程式中重載了運算符“<<”，運算符重載函數中的形參output是ostream類對象的引用，形參名output是使用者任意起的。分析main函數最後第二行：

    cout<<c3;

運算符“<<”的左面是cout，前面已提到cout是ostream類對象。“<<”的右面是c3，它是Complex類對象。由于已将運算符“<<”的重載函數聲明為Complex類的友元函數，編譯系統把“cout<<c3”解釋為

    operator<<(cout, c3)

即以cout和c3作為實參，調用下面的operator<<函數：

    ostream& operator<<(ostream& output,Complex& c)

    {

       output<<"("<<c.real<<"+"<<c.imag<<"i)"<<endl;

       return output;

    }

調用函數時，形參output成為cout的引用，形參c成為c3的引用。是以調用函數的過程相當于執行：

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

請注意，上一行中的“<<”是C++預定義的流插入符，因為它右側的操作數是字元串常量和double類型資料。執行cout語句輸出複數形式的資訊。然後執行return語句。

請思考，return  output的作用是什麼？回答是能連續向輸出流插入資訊。output是ostream類的對象，它是實參cout的引用，也就是cout通過傳送位址給output，使它們二者共享同一段存儲單元，或者說output是cout的别名。是以，return output就是return cout，将輸出流cout的現狀傳回，即保留輸出流的現狀。

請問傳回到哪裡？剛才是在執行

在已知cout<<c3的傳回值是cout的目前值。如果有以下輸出：

    cout<<c3<<c2;

先處理

    cout<<c3

即

   (cout<<c3)<<c2;

而執行(cout<<c3)得到的結果就是具有新内容的流對象cout，是以，(cout<<c3)<<c2相當于cout(新值)<<c2。運算符“<<”左側是ostream類對象cout，右側是Complex類對象c2，則再次調用運算符“<<”重載函數，接着向輸出流插入c2的資料。現在可以了解了為什麼C++規定運算符“<<”重載函數的第一個參數和函數的類型都必須是ostream類型的引用，就是為了傳回cout的目前值以便連續輸出。

請讀者注意區分什麼情況下的“<<”是标準類型資料的流插入符，什麼情況下的“<<”是重載的流插入符。如

    cout<<c3<<5<<endl;

有下劃線的是調用重載的流插入符，後面兩個“<<”不是重載的流插入符，因為它的右側不是Complex類對象而是标準類型的資料，是用預定義的流插入符處理的。

還有一點要說明，在本程式中，在Complex類中定義了運算符“<<”重載函數為友元函數，是以隻有在輸出Complex類對象時才能使用重載的運算符，對其他類型的對象是無效的。如

    cout<<time1;  //time1是Time類對象，不能使用用于Complex類的重載運算符

C++預定義的運算符“>>”的作用是從一個輸入流中提取資料，如“cin>>i;”表示從輸入流中提取一個整數賦給變量i(假設已定義i為int型)。重載流提取運算符的目的是希望将“>>”用于輸入自定義類型的對象的資訊。

增加重載流提取運算符“>>”，用“cin>>”輸入複數，用“cout<<”輸出複數。

可以看到，在C++中，運算符重載是很重要的、很有實用意義的。它使類的設計更加豐富多彩，擴大了類的功能和使用範圍，使程式易于了解，易于對對象進行操作，它展現了為使用者着想、友善使用者使用的思想。有了運算符重載，在聲明了類之後，人們就可以像使用标準類型一樣來使用自己聲明的類。類的聲明往往是一勞永逸的，有了好的類，使用者在程式中就不必定義許多成員函數去完成某些運算和輸入輸出的功能，使主函數更加簡單易讀。好的運算符重載能展現面向對象程式設計思想。

可以看到，在運算符重載中使用引用(reference)的重要性。利用引用作為函數的形參可以在調用函數的過程中不是用傳遞值的方式進行虛實結合，而是通過傳址方式使形參成為實參的别名，是以不生成臨時變量(實參的副本)，減少了時間和空間的開銷。此外，如果重載函數的傳回值是對象的引用時，傳回的不是常量，而是引用所代表的對象，它可以出現在指派号的左側而成為左值(left value)，可以被指派或參與其他操作(如保留cout流的目前值以便能連續使用“<<”輸出)。但使用引用時要特别小心，因為修改了引用就等于修改了它所代表的對象。