Книга: C# 4.0: полное руководство

Основы перегрузки операторов

Основы перегрузки операторов

Перегрузка операторов тесно связана с перегрузкой методов. Для перегрузки оператора служит ключевое слово operator, определяющее операторный метод, который, в свою очередь, определяет действие оператора относительно своего класса.

Существуют две формы операторных методов (operator): одна — для унарных операторов, другая — для бинарных. Ниже приведена общая форма для каждой разновидности этих методов.

// Общая форма перегрузки унарного оператора.
public static возвращаемый_тип operator ор{тип_параметра операнд)
{
  // операции
}
// Общая форма перегрузки бинарного оператора.
public static возвращаемый_тип operator ор(тип_параметра1 операнд1,
тип_параметра1 операнд2)
{
  // операции
}

Здесь вместо ор подставляется перегружаемый оператор, например + или /; а возвращаемый_тип обозначает конкретный тип значения, возвращаемого указанной операцией. Это значение может быть любого типа, но зачастую оно указывается такого же типа, как и у класса, для которого перегружается оператор. Такая корреляция упрощает применение перегружаемых операторов в выражениях. Для унарных операторов операнд обозначает передаваемый операнд, а для бинарных операторов то же самое обозначают операнд1 и операнд2. Обратите внимание на то, что операторные методы должны иметь оба типа, public и static.

Тип операнда унарных операторов должен быть таким же, как и у класса, для которого перегружается оператор. А в бинарных операторах хотя бы один из операндов должен быть такого же типа, как и у его класса. Следовательно, в C# не допускается перегрузка любых операторов для объектов, которые еще не были созданы. Например, назначение оператора + нельзя переопределить для элементов типа int или string.

И еще одно замечание: в параметрах оператора нельзя использовать модификатор ref или out.

Для того чтобы продемонстрировать принцип действия перегрузки операторов, начнем с простого примера, в котором перегружаются два оператора — + и -. В приведенной ниже программе создается класс ThreeD, содержащий координаты объекта в трехмерном пространстве. Перегружаемый оператор + складывает отдельные координаты одного объекта типа ThreeD с координатами другого. А перегружаемый оператор - вычитает координаты одного объекта из координат другого.

// Пример перегрузки бинарных операторов.
using System;
// Класс для хранения трехмерных координат,
class ThreeD {
  int x, y, z; // трехмерные координаты
  public ThreeD() {
    x = y = z = 0;
  }
  public ThreeD(int i, int j, int k) {
    x = i; y = j; z = k;
  }
  // Перегрузить бинарный оператор +.
  public static ThreeD operator +(ThreeD op1, ThreeD op2)
  {
    ThreeD result = new ThreeD();
    /* Сложить координаты двух точек и возвратить результат. */
    result.x = op1.x + op2.x; // Эти операторы выполняют
    result.y = op1.y + op2.y; // целочисленное сложение,
    result.z = op1.z + op2.z; //сохраняя свое исходное назначение.
    return result;
  }
  // Перегрузить бинарный оператор -.
  public static ThreeD operator -(ThreeD op1, ThreeD op2)
  {
    ThreeD result = new ThreeD();
    /* Обратите внимание на порядок следования операндов: op1 — левый операнд, а ор2 — правый операнд. */
    result.x = op1.x - op2.x; // Эти операторы
    result.y = op1.y - op2.y; // выполняют целочисленное
    result.z = op1.z - op2.z; // вычитание
    return result;
  }
  // Вывести координаты X, Y, Z.
  public void Show()
  {
    Console.WriteLine(x + ", " + y + ", " + z) ;
  }
}
class ThreeDDemo {
  static void Main() {
    ThreeD a = new ThreeD(1, 2, 3) ;
    ThreeD b = new ThreeD(10, 10, 10);
    ThreeD c;
    Console.Write("Координаты точки a: ");
    a.Show();
    Console.WriteLine();
    Console.Write("Координаты точки b: ");
    b.Show();
    Console.WriteLine() ;
    c = a + b; // сложить координаты точек а и b
    Console.Write("Результат сложения а + b: ");
    c.Show();
    Console.WriteLine() ;
    c=a+b+c; // сложить координаты точек а, b и с
    Console.Write("Результат сложения а + b + с: ");
    c.Show();
    Console.WriteLine() ;
    c = c - a; // вычесть координаты точки а
    Console.Write("Результат вычитания с - а: ") ;
    c.Show();
    Console.WriteLine() ;
    c = c - b; // вычесть координаты точки b
    Console.Write("Результат вычитания с - b: ");
    c.Show();
    Console.WriteLine() ;
  }
}

При выполнении этой программы получается следующий результат.

Координаты точки а: 1, 2, 3
Координаты точки b: 10, 10, 10
Результат сложения а + b: 11, 12, 13
Результат сложения а+b+с: 22, 24, 26
Результат вычитания с - а: 21, 22, 23
Результат вычитания с - b: 11, 12, 13

Внимательно проанализируем приведенную выше программу, начиная с перегружаемого оператора +. Когда оператор + оперирует двумя объектами типа ThreeD, то величины их соответствующих координат складываются, как показано в объявлении операторного метода operator+(). Следует, однако, иметь в виду, что этот оператор не видоизменяет значения своих операндов, а лишь возвращает новый объект типа ThreeD, содержащий результат операции сложения координат. Для того чтобы стало понятнее, почему операция + не меняет содержимое объектов, выступающих в роли ее операндов, обратимся к примеру обычной операции арифметического сложения: 10 + 12. Результат этой операции равен 22, но она не меняет ни число 10, ни число 12. Несмотря на то что ни одно из правил не препятствует перегруженному оператору изменить значение одного из своих операндов, все же лучше, чтобы действия этого оператора соответствовали его обычному назначению.

Обратите внимание на то, что метод operator+() возвращает объект типа ThreeD. Этот метод мог бы возвратить значение любого допустимого в C# типа, но благодаря тому что он возвращает объект типа ThreeD, оператор + можно использовать в таких составных выражениях, как a+b+с. В данном случае выражение а+b дает результат типа ThreeD, который можно затем сложить с объектом с того же типа. Если бы выражение а+b давало результат другого типа, то вычислить составное выражение a+b+с было бы просто невозможно.

Следует также подчеркнуть, что когда отдельные координаты точек складываются в операторе operators+(), то в результате такого сложения получаются целые значения, поскольку отдельные координаты х, у и z представлены целыми величинами. Но сама перегрузка оператора + для объектов типа ThreeD не оказывает никакого влияния на операцию сложения целых значений, т.е. она не меняет первоначальное назначение этого оператора.

А теперь проанализируем операторный метод operator-(). Оператор - действует так же, как и оператор +, но для него важен порядок следования операндов. Напомним, что сложение носит коммутативный характер (от перестановки слагаемых сумма не меняется), чего нельзя сказать о вычитании: А - В не то же самое, что и В - А! Для всех двоичных операторов первым параметром операторного метода является левый операнд, а вторым параметром — правый операнд. Поэтому, реализуя перегружаемые варианты некоммутативных операторов, следует помнить, какой именно операнд должен быть указан слева и какой — справа.

Унарные операторы перегружаются таким же образом, как и бинарные. Главное отличие заключается, конечно, в том, что у них имеется лишь один операнд. В качестве примера ниже приведен метод, перегружающий оператор унарного минуса для класса ThreeD.

// Перегрузить оператор унарного минуса,
public static ThreeD operator -(ThreeD op)
{
  ThreeD result = new ThreeD();
  result.x = -op.x;
  result.у = -op.у;
  result.z = -op.z;
  return result;
}

В данном примере создается новый объект, в полях которого сохраняются отрицательные значения операнда перегружаемого унарного оператора, после чего этот объект возвращается операторным методом. Обратите внимание на то, что сам операнд не меняется. Это означает, что и в данном случае обычное назначение оператора унарного минуса сохраняется. Например, результатом выражения

а = -b

является отрицательное значение операнда b, но сам операнд b не меняется.

В C# перегрузка операторов ++ и -- осуществляется довольно просто. Для этого достаточно возвратить инкрементированное или декрементированное значение, но не изменять вызывающий объект. А все остальное возьмет на себя компилятор С#, различая префиксные и постфиксные формы этих операторов. В качестве примера ниже приведен операторный метод operator++() для класса ThreeD.

// Перегрузить унарный оператор ++.
public static ThreeD operator ++(ThreeD op)
{
  ThreeD result = new ThreeD();
  //возвратить результат инкрементирования
  result.x = x + 1;
  result.y = y + 1;
  result.z = z + 1;
  return result;
}

Ниже приведен расширенный вариант предыдущего примера программы, в котором демонстрируется перегрузка унарных операторов - и ++.

// Пример перегрузки бинарных и унарных операторов,
using System;
// Класс для хранения трехмерных координат,
class ThreeD {
  int x, y, z; // трехмерные координаты
  public ThreeD() { x = y = z = 0; }
  public ThreeD(int i, int j, int k) {
    x = i;
    y = j;
    z = k;
  }
  // Перегрузить бинарный оператор +.
  public static ThreeD operator +(ThreeD op1, ThreeD op2) {
    ThreeD result = new ThreeD();
    /* Сложить координаты двух точек и возвратить результат. */
    result.x = op1.x + op2.x;
    result.y = op1.y + op2.y;
    result.z = op1.z + op2.z;
    return result;
  }
  // Перегрузить бинарный оператор -.
  public static ThreeD operator -(ThreeD op1, ThreeD op2) {
    ThreeD result = new ThreeD();
    /* Обратить внимание на порядок следования операндов: op1 — левый операнд, ор2 — правый операнд. */
    result.x = op1.x - op2.x;
    result.y = op1.y - op2.y;
    result.z = op1.z - op2.z;
    return result;
  }
  // Перегрузить унарный оператор -.
  public static ThreeD operator -(ThreeD op) {
    ThreeD result = new ThreeD();
    result.x = -op.x;
    result.y = -op.y;
    result.z = -op.z;
    return result;
  }
  // Перегрузить унарный оператор ++.
  public static ThreeD operator ++(ThreeD op) {
    ThreeD result = new ThreeD();
    // Возвратить результат инкрементирования,
    result.x = op.x + 1;
    result.y = op.y + 1;
    result.z = op.z + 1;
    return result;
  }
  // Вывести координаты X, Y, Z.
  public void Show() {
    Console.WriteLine(x + ", " + y + ", " + z);
  }
}
class ThreeDDemo {
  static void Main() {
    ThreeD a = new ThreeD(1, 2, 3);
    ThreeD b = new ThreeD(10, 10, 10);
    ThreeD c = new ThreeD();
    Console.Write("Координаты точки a: ");
    a.Show();
    Console.WriteLine();
    Console.Write("Координаты точки b: ");
    b.Show();
    Console.WriteLine();
    c = a + b; // сложить координаты точек а и b
    Console.Write("Результат сложения a + b: ");
    c.Show();
    Console.WriteLine();
    c = a + b + c; // сложить координаты точек a, b и с
    Console.Write("Результат сложения a + b + с: ");
    c.Show();
    Console.WriteLine();
    c = c - a; // вычесть координаты точки а
    Console.Write("Результат вычитания с - а: ");
    c.Show();
    Console.WriteLine();
    c = c - b; // вычесть координаты точки b
    Console.Write("Результат вычитания с - b: ");
    c.Show();
    Console.WriteLine();
    c = -a; // присвоить точке с отрицательные координаты точки
    Console.Write("Результат присваивания -а: ");
    c.Show();
    Console.WriteLine();
    c = a++; // присвоить точке с координаты точки а,
    // а затем инкрементировать их
    Console.WriteLine("Если с = а++");
    Console.Write("то координаты точки с равны ");
    c.Show();
    Console.Write("а координаты точки а равны ");
    a.Show();
    // Установить исходные координаты (1,2,3) точки а
    a = new ThreeD(1, 2, 3);
    Console.Write("nУстановка исходных координат точки а: ");
    a.Show();
    c = ++a; // инкрементировать координаты точки а,
    // а затем присвоить их точке с
    Console.WriteLine("nЕсли с = ++а");
    Console.Write("то координаты точки с равны "); c.Show();
    Console.Write("а координаты точки а равны "); a.Show();
  }
}

Вот к какому результату приводит выполнение данной программы.

Координаты точки а: 1, 2, 3
Координаты точки b: 10, 10, 10
Результат сложения а + b: 11, 12, 13
Результат сложения а + b + с: 22, 24, 26
Результат вычитания с - а: 21, 22, 23
Результат вычитания с - b: 11, 12, 13
Результат присваивания -а: -1, -2, -3
Если с = а++
то координаты точки с равны 1, 2, 3
а координаты точки а равны 2, 3, 4
Установка исходных координат точки а: 1, 2, 3
Если с = ++а
то координаты точки с равны 2, 3, 4
а координаты точки а равны 2, 3, 4

Оглавление книги