北京大学《C++程序设计》这门课将向你讲授C++程序设计有关的概念和语法，使你能够使用C++语言，以面向对象的方法编写可维护性、可扩充性好的，较大规模的程序。我们建议你在开始本课程之前已经熟悉了C语言和基本程设编写。这门课则将带你掌握C++语言中类、对象、运算符重载、继承、多态等面向对象的程序设计方法，以及模板、标准模板库STL等泛型程序设计的机制，体会和领悟面向对象程序设计方法和泛型程序设计方法的优势。
流插入运算符和流提取运算符的重载
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来自 Peking University 的课程
C++程序设计
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从本节课中
运算符重载
如果不做特殊处理的话，C++的“+”“-”“*”“/”等运算符只能用于对基本类型的常量或变量进行运算，不能用于对象之间的运算。我们希望对象之间也能用这些运算符进行运算，例如，复数之间是可以进行四则运算的，两个复数对象相加如果直接用“+”运算符完成，那不是很直观和简洁吗？本模块将介绍利用C++提供的“运算符重载”机制，赋予运算符新的功能，就能解决对象之间运算的问题。
与讲师见面
Jiaying Liu 刘家瑛, Ph.D.Associate Professor
Institute of Computer Science & Technology
郭 炜讲师
北京大学信息科学技术学院教学所
嗯，接下来我们讲一讲这个流插入运算符和流提取运算符的重载。
那我们先引入一个问题。嗯，这个问题就是，诶，我们很经常写的这种形式的东西它为什么能够成立？
这不是<<算符吗？它为什么能够用在cout的上面，并且把这后面的东西都给它输出呢？
啊，於是我们就会想这个cout到底是什么东西？
还有，为什么这个<<运算符能够作用在cout上面？
那cout是什么呢？嗯，cout实际上是在iostream这个头文件里面定义的一个
对象，啊，它是哪个类的对象呢？是ostream这个类的对象。
那当然ostream这个类也是在iostream这个头文件里面定义的啦！
那这个<<运算符他为什么能够用在cout的上面呢？ 那我们学过运算符重载，当然你能想象得出来。
嗯，这个<<运算符能用在cout的上面就是因为，在iostream这个 头文件里对这个<<运算符进行了适当的这个重载。
那么大家就可以想象一下这个重载应该是什么样的， 怎么重载才会是的这两个表达式都能够成立呢？
嗯，那我们知道<<运算符必须重载成一个函数，对吧？那
我们可以把它重载成ostream类的成员函数，也可以重载成一个全局函数。
当然，这，这实际上是取决于人家那个iostream头文件怎么写的，对吧？
那我们假设如果我想把这个，嗯，<<运算符重载成ostream这个类的成员函数的话。
大概应该怎么做呢？ 嗯，就是我们有可能按下面这种方式
把这个左运算符重载成ostream类的成员函数，对吧？
嗯，假设这个返回值我们没考虑好就让它 是viod的吧！反正是void看起来也无伤大雅，对吧？
也许有更好的做法，但我们先让它是void。
然后呢，这是重载成成员函数了。然后它所接受的参数是什么？
很明显我们可以让它接受一个整型参数，因为我们前面用到了这个cout<<5,对吧?
那显然这个5就是一个参数。所以说我们为了对付这个表达式的话，我们需要做一次重载， 重载的这个函数它应该是int n。
然后在这个重载的这个，嗯，函数里面呢我们在前面当然要把
n给它输出了，对吧？至于n到底怎么输出，那你肯定不再是不会再用什么cout<<于之类的东西了。
假设，假设这个编写这个ostream类的这个，嗯，
c++的库的设计者他，他有一些其它的什么办法能够把n
在屏幕上给它输出。那我们对这个<<运算符进行如下的重载就能够应付
这个表达式，使得这个表达式编译能够通过，而且5能够被输出了，对吧？那怎么对付这个表达式呢？
那当然就应该再做另外一次重载。啊。
就我们看cout<<5 这个表达式它等价于什么呢？它等价于cout.operator<<5，对吧？
因为这个时候<<运算符被重载成ostream类的成员函数了。那么实际上
这条语句就是在cout这个对象上面调用operator<<这个成员函数，并且以5作为参数。
那cout<<"this"当然就是cout.operator<<(”this“),对吧？那现在我们的问题就是，
如何，做一些什么样的重载才能够是这个表，这个，这个长串的东西能够成立？
如果我们是仅仅是想让这个，这个表达式和这个表达式分别都能够成立的话，
嗯，很简单，对吧？我们重载两次，一次参数是整型的；一次参数是，是
是差型的就行了。现在要让一个，嗯，这个四子联着写都能够成立我该怎么办呢？
这时候你就得考虑 这个表达式的返回值的问题了，对吧？C<<5这个表达式它的返回值如果是void，
那么这个void的还能够接着往下运算吗？ 就不行了，对吧？那么cout<<5我们得让它有一个
返回值。这个返回值是什么东西才能够接着往下运算，并且把"this"也给它输出呢？
那答案很直观的一个想法就是，如果cout<<5它的返回值还是这个cout,
那么，作为返回值存在的这个cout就能够接着再往下跟”this“进行这个运算，然後就能把"this"输出了，对吧？
这是一种很直观的想法 。因此，我们就可以
修改一下前面存在左运算符的这个，这个方式。我们在这里呢把这个返回值的类型改成了ostream的引用。
注意啊，我们现在的目的是想要使得这个<<运算符
它能够返回cout。就是cout<<5这个表达式它能够返回cout。那怎么做到这一点啊？
我们就让它的返回值是ostream的引用，然後我们在这个成员函数里面
return*this。那这个*this指针是指向了这个，嗯，成员函数
做作用的对象，对吧？那我们如果，嗯，执行cout<<5，那这个this指针当然就指向了cout了，对吧？
那*this就是cout。
那这个成员函数它的返回值是一个ostream类的引用，然後我们return*this
*this就是cout的话，那实际上这个函数的返回值 实际上就是 ，就是会是cout的引用，对吧？
那同理，我们，嗯，对这个，
以const char* 为参数的这一次的重载
也要把它的返回值设置成ostream引用。那么我们就可以看到
这样一条，这样一个表达式
我们把它，嗯，写成函数这样的形式它会是什么样的东西呢？
它就是cout.operator<<(5).operator<<("this")对吧？
因为我们看到前面这部分它当然就等价于cout.operator<<(5)，对吧？
那现在我们让这个部分的返回值还能够接着往下运算，怎么做到这一点呢？
那大家可以知道了，如果前面这个表达式它的返回值就是cout，
那也就是说cout.operator<<(5)这个表达式它的返回值如果就是cout的话， 那么这个cout还可以在下面，
嗯，那么就接下来还可以在cout的上面执行
operator <<成员函数，并且以"this"作文参数去调用这个成员函数，那this就会被输出了。
所以上面这个表达式它所对应的函数调用的形式就是这样，啊。
前面这部分返回了cout,然後就接着这个cout的下面执行cout.operator<<("this")。
那我们前面解释了这个，嗯，<<运算符的重载。我们下面看看
如果要写这样一个程序，啊，这里有一个CStudent的它里面有一个年龄，
然後在main里面定义一个CStudent的对象，然後对年龄进行赋值。然后呢，我们
可以把s就是这个CStudent的对象交给cout进行输出。
那么交给cout进行输出的时候呢，会输出s的年龄。
也就是说这个，我们希望这个程序输出5hello，那5当然就是s的年龄了，对吧？
那我们要做些什么呢？那很明显嘛！你得重载这个<<运算符。
因为，因为，你不重载的话，cout没法跟这个s做这个运算，所以我们要重载这个<<运算符。
那怎么重载呢？嗯， 你，你，嗯， cout是ostream类的对象，ostream类早就在iostream这个头文件里面都写好了。
你不可能在为它添加什么成员函数了。所以在这里我们重载<<运算符的时候肯定只能重载成一个全局函数；
而不是把它重载成什么ostrean的成员函数，你不可能做这一点。那我们怎么做呢？
啊，把这个<<运算符重载成一个全局的函数。
啊，那重载成全局的函数它肯定就是，嗯，
操作数的这个数目等于这个函数的参数个数，对吧？所以它有两个参数。第二个参数很明显
就应该和这个，嗯, CStuden的对象能够匹配的。那第二个参数可以是CStudent的对象，
也可以是CStudent的，的引用。都能够做到类型匹配。那我们取，取它为CStudent的引用，
能够节省这个，嗯，时间和空间，对吧？因为我们不需要形成寻常对象。寻常对象要能够调用赋值过的函数是有开销的。
然後，嗯，既然是CStudent的引用，然後我们在这个程序里面又不会去修改s的值。
所以我就把这个引用变成const了，这是第二个参数。那第一个参数是什么呢？ 嗯，
要执行cout<<s，对吧？那第一个参数肯定要对于cout。
那cout是ostream的对象，那我们第一个参数的类型就应该是ostream的对象；或者是ostream的引用。
在这里为了这个节省开销，我们让它成为ostream的这个引用。
啊，然後呢，我们在这里面 这是一个ostream的这个引用。那么，这个，程，程序
程序走到这里面的时候，o是谁啊？o实际上就是引用了cout。
那也就是说o就是cout，对吧？所以我们直接在这里把s.nAge 给这个cout，这个s.nAge就能够在屏幕上输出了。
然后就完，这就完成了输出的这个工作。
那，那我们这个函数它的这个返回值我们也是需要考虑一下的。不能随便写一个void。
为什么不能随便写一个void呢？因为这个表达式执行完了以后，它还要接着往下运算。
所以我们希望这个表达式它的返回值应该还是cout，这样才能够接着往下运算，对吧？
那你怎么让这个表达式它的返回值仍然是cout的呢？
那就我们就重载这个函数的时候，返回值的类型就有讲究了。啊，我们就让它是ostream的这个引用。
然后我们注意到，进到这个函数里面来的时候，这个o是cout的引用。也就是说
o等价于cout。那我们希望这个函数返回值仍然是这个cout，怎么做呢？
我们就return o就行了，因为0是cout的引用，对吧？然後，这个函数的返回值也是一个ostream的引用。
那么，return o也就是这个函数的返回值，就是cout的引用，那就等价于cout。那问题就解决了。
我额外再说一点啊，如果你这一块不写引用，写ostream的对象，实际上编译是不过的，那是有一些其他的原因，
这里就不再细说了。
那下面再看一个复杂一点的这个，这个例题啊。
就是我们假定c是Complex复数类的对象，啊，然后现在我们希望写这个cout《c，
就能够以a+bi的形式输出c的值。
然后写cin》c 就能够从键盘接受a+bi这种形式的输入， 并且使得c.
real=a，c.
imag=b。我们希望能做到这一点，该怎么办？ 大家可以想想。这个我们在，我刚刚讲的时候都把这两个东西称为
左移、右移运算符，那我们标题又写的是，是流插入和流提取运算符啊。
那大家注意了，实际上在C++的语法里面，这两个东西就是左移，左移和右移运算符。
只不过，把它重载了以后，它经常用于输入输出，所以它就得了另外一个名字叫做流插入和流，流提取而已，啊。
本质上它还是左移右移运算符被重载了。
那现在我们再看这个题，呃，该怎么做。
肯定我们要重载左移 运算符，也要重载右移运算符，对吧。那我们得搞清楚cin到底是个什么东西。
那cout是ostream类的对象，cin是istream的对象。
就是我们希望，呃，有个Com，复数类，我们写好了，它里面有实部和虚部，然后我们可以，可以
来这个cin、c、n，呃，
n是整型的，这c是一个复数的对象，我们希望这个，这条语句能够
编译通过，而且它执行的效果是这样的，就是，呃，当等待输入的时候，我们敲了13.2+133i，
再空格87，结果呢，这个13.2+133i就会被读到c里面去。
也就是说c这个复数它的实部是13.2，虚部是133，当然n的值就是87,，对吧。
然后我们接下来又可以把这个c， 这个复数对象交给cout去输出，输出完以后就是，就是a+bi的一种复数的形式，
就是13.2+133i，然后这个逗号，再87。这是我们希望达到的这个，这个，希望达到的这个效果。
那么我们就要重载左移运算符和这个右移运算符，啊。
这整个完整的程序是这样的。这复数类是有实部和虚部。
然后呢，这个复数类有一个构造函数，构造函数呢用来对这个，
呃，real，就是实部，以r，参数r 赋初值，对虚部以i 赋初值。
然后呢，我们说了这个左移右移运算符，我们要把它重载。
在这里，我们只能重载成全局函数了，对吧，你不可能再把它重载成 Ostream类或者istream类的这个成员函数，因为那两个类都已经写好了。
所以我们必须把这，这个左移运算符和右移运算符重载成一个全局的函数。
那在这个Complex类里面呢，这两个
成员变量又都是私有的，那我们这两个全局函数又要访问Complex类的私有的成员，那怎么办啊？ 那解决办法就是我们
把这个重载出来的这个左移和右移运算符把它声明为Complex类的友元，所以我们在这里声明一下，friend。
啊，这个是左移运算符重载，这个是右移运算符重载，都变成友元。
然后我们来看这个左移运算符怎么重载的。
啊，那它的返回值应该是ostream的引用，理由前面已经说过了。
因为我们输出一个Complex对象以后，还能接着用左移运算符运算。
接着输，输出后面的整数啊，什么字符串之类的。所以它的返回值应该
还是一个引用，最好。然后这个程序，这个函数被执行的时候，返回值依然是这个cout的引用嘛。
它第一个参数是这样的，第二个参数是这个Complex的
对象的引用。然后在这里面呢，我们就，就把这个c，
这个复数啊，以a+bi这种形式输出。那当然就是，
这个，这个os是什么呀？ 这个os当然就会是cout，对吧。所以我们就会把这个c.
real给cout，然后再输出一个加号，再把这个c.imag 再，再给这个，前面这个，这个表达式的返回值，就是也是cout。
然后再输出一个i。这样以a+bi的形式就输出了这个复数c的值。然后我们return
os，这个os 会是什么东西啊？会是cout的引用，对吧。我们return os使得整个函数的返回值仍然是cout。
那我们再来看看这个右移运算符该怎么重载。那我们得知道cin它是
istream的类对象，对吧。所以这个时候我们重载成全局函数的时候，返回值应该是istream
对象的引用。第一个参数是istream的引用，第二个参数呢是这个复数
对象的引用。然后，在这里面要做的事情就是要把这个a+b形式的输入，
把它里面的实部a和b分离出来，读到这个c里面去。
那a+b形式的输入，我们可以作为字符串string 对象给它读入。
这里面关于string对象的一些细节，大家可以先不用深究，啊，后面还会仔细讲到。在这里，
这个片子的主要目的还是向大家演示这个右移运算符该怎么重载。
总而言之，我们可以通过这个is，is是什么呢？
执行到这个函数的时候，is当然就是cin了，对吧。我们通过这个cin就能够把一个a+b形式的字符串读到这个
s里面，啊。然后，我们就要在s里面把a和b分离出来。那分离的方法当然就是找到这个+号，
然后呢，取+号前面的a再取+号后面的一个b。这里面是有一些这个过程，这些过程我就
不详细说了，因为不是这，这堂课的重点。总而言之，我们把这个，
呃，s里面+号前面的a和b都，+号前面的a和+号后面的b都分离出来以后，
我们在这个就把这个a分离出来放到实部里面。
然后呢，把这个b分离出来放到这个虚部里面。
那，那么a+b所代表的的复数就被读到c里面去了。
然后我们就可以return is了，这is是什么呢？就是cin，对吧。那这个，这个右移运算符它的返回值
还是cin。然后，然后，也就是说我们，呃， 从这个
键盘读取了c以后，这个表达式的返回值还是cin，那cin还能够
跟着下面的这个n继续做运算，啊，你在后面再输入别的都行也都行。
