介绍 C# 中的运算符重载 .

介绍 C# 中的运算符重载
周融，2007 年 5 月
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重载是面向对象中的一个重要概念，它是对象多态性的一种不完全体现，人们通常所说的重载，往往指的是函数的重载。本文向读者介绍一种新的重载模型——运算符重载。

在本文中的内容：
1、为什么需要运算符重载
2、C# 运算符重载决策示例
3、C# 运算符重载一览表
4、结论

为什么需要运算符重载

函数的重载为一个对象上的相同行为提供不同的参数方式，这样，开发人员便可以使用这些不同的参数实现类似的功能。一组函数重载决策一般实现的功能是相同的，例如对 Object 对象上的 ToString() 方法就有几个重载版本，虽然它们接受的参数不同，但却都表达同一个行为的最终结果。参数的不同导致函数重载版本的签名不同，这样编译器很容易知道需要调用那一个重载版本。这种技术给开发人员带来了方便。

现在我们试图对重载的定义进行推广。先让我们看看最简单的例子，我们通常需要像这样声明并初始化一个值类型的变量：

int digit = 5;
string sayHello = "Hello, World";

这里的“=”运算符，就是将右边的值传递给左边变量的赋值运算符。这里，5 的类型为 int，“Hello, World”的类型为 string，这与左边被赋值的变量类型完全一致。

但对于上述的解释，我们还可以这样认为：5 的类型为 uint 或 byte，"Hello, World"的类型为 char[]，那么如此一来，赋值运算左边和右边的类型就不在等同，那么编译器如何处理呢？有人会说，这就是“隐式类型转换”，这个答案确实很好，但隐式类型转换的规则已经被编译器确定，如果赋值运算的两端不遵循隐式类型转换规则，则需要显式类型转换，例如：

char c = '2';
string s = (string)c;
int i = (int)c;

这些显式类型转换并不适用于任何场合，也许人们希望在其自定义的类中也能用赋值、加减乘除等语法操作它们。

对象和对象之间是可能存在这种特殊的运算关系的，一个典型的例子就是“复数”对象。复数是一个值类型对象，它包含两个 double 类型的域，两个复数对象可以被加、减、乘、除和相等性判断，但无法比较大小。我们试想可以如此操作复数类：

Complex c1, c2;
c1 = new Complex(3, 4);
c2 = "4+5i";
var c3 = c1 * c2 / -c1 + c2;
if (c1 == c2) c3 = c1; else c3 = c2;

我们可以从这些代码可以预见运算符重载所需要实现的功能：
1、支持隐式类型转换和显式类型转换的重载决策。
2、支持基本二元运算符，如加、减、乘、除等。
3、支持基本一元运算符，如取负、取反、自增、自减等。
4、支持基本关系运算符，如大于、小于、等于和不等于等。
5、实现更加复杂的运算符，如三元运算、[]、()、位运算等。

事实上，运算符重载的提出就是为了解决这些问题。在 CLR 框架下的各种 CLR 语言，均不同程度的支持运算符重载。Visual Basic 在 8.0 版本上（也就是 Visual Studio 2005）也支持了运算符重载，运算符重载除了以上列出的优点外，还具备如下特点。
1、使得代码更加容易理解和阅读。
2、可以利用现有运算符的优先级关系规则处理对象之间的运算。
3、使得代码更加灵活，对象可操作性更好。
4、开发人员可以举一反三，因为他们熟悉了常规值类型上的运算符使用，这样可以直接将这些规则引入到自定义对象上。

下面我们通过介绍复数类的定义，来深入 C# 语言中的运算符重载。

C# 运算符重载决策示例

下面的例子定义一个 Complex 类，实现了复数加、减、乘和除的四则运算。C# 中定义常规运算符的语法如下：

[public | private | protected | internal | internal protected] static <return type> | implicit | explicit operator <operatorName> ( <param list> )

下面是 C# 3.0 代码。

    struct Complex
    ...{
        public double Real ...{ get; set; }
        public double Imaginary ...{ get; set; }

        public Complex(double real, double imaginary) : this() ...{ this.Real = real; this.Imaginary = imaginary; }

        public static Complex operator +(Complex c1, Complex c2)
        ...{
            return new Complex ...{ Real = c1.Real + c2.Real, Imaginary = c1.Imaginary + c2.Imaginary };
        }

        public static Complex operator -(Complex c1, Complex c2)
        ...{
            return new Complex ...{ Real = c1.Real - c2.Real, Imaginary = c1.Imaginary - c2.Imaginary };
        }

        public static Complex operator *(Complex c1, Complex c2)
        ...{
            return new Complex ...{ Real = c1.Real * c2.Real - c1.Imaginary * c2.Imaginary, Imaginary = c1.Real * c2.Imaginary 

- c1.Imaginary * c2.Real };
        }

        public static Complex operator /(Complex c1, Complex c2)
        ...{
            return new Complex ...{ Real = -c1.Real * c2.Real + c1.Imaginary * c2.Imaginary, Imaginary = -c1.Real * 

c2.Imaginary + c1.Imaginary * c2.Real };
        }
    }

由于运算符重载定义在定义它的对象实例上生效，所以可以改写 operator - 和 operator / 运算，使其更加简单。       

        public static Complex operator -(Complex c1, Complex c2)
        ...{
            return c1 + new Complex ...{ Real = c2.Real, Imaginary = c2.Imaginary };
        }

        public static Complex operator /(Complex c1, Complex c2)
        ...{
            return c1 * new Complex ...{ Real = -c2.Real, Imaginary = -c2.Imaginary };
        }

这样我们就可以很方便的使用 Complex 类：

var c1 = new Complex(3, 4), c2 = new Complex(1, 2);
var c3 = c1 * c2;
Complex c4 = c1 - c2 / c3 + c1;

为了实现更加简单的赋值，我们还需要实现隐式类型转换（从 string 到 Complex）。

        public static implicit operator Complex(string value)
        ...{
            value = value.TrimEnd('i');
            string[] digits = value.Split('+', '-');
            return new Complex ...{ Real = Convert.ToDouble(digits[0]), Imaginary = Convert.ToDouble(digits[1]) };
        }

可以通过如下代码对实例进行赋值。

Complex c = "4+5i";

在编译器生成这些运算符重载代码时，实际上会为每个已被重载运算符定义一个特殊名称的方法。如 operator +，其实等同于如下代码：

        [SpecialName]
        public static Complex op_Addition(Complex c1, Complex c2)
        ...{
            return new Complex ...{ Real = c1.Real + c2.Real, Imaginary = c1.Imaginary + c2.Imaginary };
        }

C# 运算符重载一览表

您可以在 C# 中对于以下运算符进行重载决策。

+, -, !, ~, ++, --, true, false
 这些一元运算符可被重载。
 
+, -, *, /, %, &, |, ^, <<, >>
 这些二元运算符可被重载。
 
==, !=, <, >, <=, >=
 这些关系运算符可被重载。
 
&&, ||
 这些条件运算符不能被重载，但它们的值被 & 和 | 评估，而这两个运算符可以重载。
 
[]
 数组运算符不能被重载，但您可以定义索引器。
 
()
 转换运算符不能被重载，但您可以定义隐式类型转换和显式类型转换运算符。
 
+=, -=, *=, /=, %=, &=, |=, ^=, <<=, >>=
 这些赋值运算符不能被重载，但他们的值，如 +=，会被 + 评估，而 + 可以被重载。
 
=, ., ?:, ->, new, is, sizeof, typeof
 这些运算符不能被重载。

结论

运算符重载是对重载概念的一个重要补充和发展，它针对对象关系中的多元关系和四则运算、关系运算等常规运算提供了重载支持，开发人员可以利用运算符重载优化利用到这些关系的实现代码中，以提高生产力。