侯捷《C++面向对象开发》——动手实现自己的复数类

前言

  最近在看侯捷的一套课程《C++面向对象开发》，刚看完第一节introduction之后就被疯狂圈粉。感觉侯捷所提及所重视的部分也正是我一知半解的知识盲区，我之前也写过一些C++面向对象的程序，不过正如侯捷所说，我还仅仅停留于Object-based层面，写程序时总是在想如何封装好一个类，而不是Object-oriented强调类与类之间关系的设计。

  这门课程分为两部分，第一部分讲Object-based，第二部分讲Object-oriented；第一部分又分为两部分：带指针的类的封装和不带指针类的封装。

  本文将以模板库中的complx复数类的部分内容为核心，在分析源代码的同时，讲解一些良好的代码风格和编程习惯，比如inline内联函数的使用、friend友元函数的使用、函数参数及返回值何时pass by value何时pass by reference等等。

部分代码

complex.h

 1 #ifndef __COMPLEX__
 2 #define __COMPLEX__
 3 
 4 class complex
 5 {
 6     public:
 7         complex(double r = 0, double i = 0)
 8             : re (r), im (i)
 9         { }
10         complex& operator += (const complex&);
11         double real () const { return re; }
12         double imag () const { return im; }
13     private:
14         double re, im;
15 
16         friend complex& __doapl (complex*, const complex&);
17 };
18 
19 #endif

 

complex.cpp

 1 #include "complex.h"
 2 #include <iostream>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 inline complex& __doapl(complex* ths, const complex& r)
 7 {
 8     ths->re += r.re;
 9     ths->im += r.im;
10     return *ths;
11 }
12 
13 inline complex& complex::operator += (const complex& r)
14 {
15     return __doapl (this, r);
16 }
17 
18 inline double imag (const complex& x)
19 {
20   return x.imag ();
21 }
22 
23 inline double real (const complex& x)
24 {
25   return x.real ();
26 }
27 
28 inline complex operator + (const complex& x, const complex& y)
29 {
30     return complex (real (x) + real (y), imag (x) + imag (y));
31 }
32 
33 inline complex operator + (const complex& x, double y)
34 {
35     return complex (real (x) + y, imag (x));
36 }
37 
38 inline complex operator + (double x, const complex& y)
39 {
40     return complex (x + real (y), imag (y));
41 }
42 
43 ostream& operator << (ostream& os, const complex& x)
44 {
45     return os << ' (' << real (x) << "," << imag (x) << ')';
46 }

 

源码解析

一、complex.h

1.1 initialization list

         //程序1.1 
         complex(double r = 0, double i = 0)
             : re (r), im (i)
         { }

 

 

  构造函数参数缺省，比较常规。

  值得注意的是，变量的初始化尽量放在初始化列表中（initialization list）。当然，完全可以在构造函数的函数体中赋值进行初始化。不过，侯捷指出，一个对象在产生过程中分为初始化和成功产生两部分，initialization list相当于在初始化过程中对变量赋值，而在函数体中赋值则是放弃了initialization list初始化这一过程，会降低效率。对于“性能榨汁机”的C++语言来讲，重视每个细节效率的重要性是毫无疑问的。

1.2参数及返回值传递方式

        //程序1.2 2  
        complex& operator += (const complex&);

 

  传递参数时，如果能用引用传递那么一定不要用值传递，因为值传递的过程中变量需要copy一份样本传入函数中，当参数很多或参数类型复杂时，会导致效率变慢。

  其次，如果函数不会改变参数的值，一定要加const限定，在初学时养成良好的变成习惯尤为重要。

  关于函数的返回值，同样是最好按引用传递，当然，有些情况无法按引用传递，这点将在2.3讲解。

  其实，参数列表中还隐藏一个this，这点将在2.2讲解。

1.3友元函数

       //程序1.3
       friend complex& __doapl (complex*, const complex&);

 

  我们可以看到，在complex.h文件的末尾定义了一个友元函数，友元函数打破了类的封装，它不是类的成员函数，却可以使用点操作符来获取类的private变量。当然，非友元函数也可以通过get函数来获取，不过速度会慢一些。

二、complex.cpp

2.1 友元函数及内联函数

//程序2.1
inline complex& __doapl(complex* ths, const complex& r)
{
    ths->re += r.re;
    ths->im += r.im;
    return *ths;
}

 

  我们首先来分析一下这个友元函数，这里有两点值得探讨：

  第一这个函数将r的实部和虚部加到ths上，r在函数体中值没用发生改变，所以使用const限定。

  第二这个函数被设计成inline内联函数，我们都知道，内联函数是把代码块直接复制到函数需要调用的地方，通过省略函数调用这一过程来提高效率，那么我们为什么不将所有函数都设计成内联函数呢？其实我们的inline声明只是对编译器的一个建议，对于过于复杂的函数来讲，及时我们声明了inline，编译器也会调用执行。所以，对于一些“小巧”的函数，我们尽量设计为内联函数。

2.2 隐藏的“this”

//程序2.2
inline complex& complex::operator += (const complex& r)
{
    return __doapl (this, r);
}

 

  操作符重载作为C++的特点之一，有令别的语言羡慕之处，当然也有些难以理解。

  实际上，这个函数的参数还有一个隐藏的this，这个this就是函数调用者。

 

 

2.3 不能为reference的返回值

//程序2.3
inline complex operator + (const complex& x, const complex& y)
{
    return complex (real (x) + real (y), imag (x) + imag (y));
}

inline complex operator + (const complex& x, double y)
{
    return complex (real (x) + y, imag (x));
}

inline complex operator + (double x, const complex& y)
{
    return complex (x + real (y), imag (y));
}

 

 

  注意，这里函数的返回值不能返回reference，这其实是使用临时对象（typename ()），在函数体内定义变量，然后把这个变量的引用传递出去，函数结束后变量本体死亡，传出去的引用既没有意义了。

 

2.4 非成员函数的操作符重载

//程序2.4
ostream& operator << (ostream& os, const complex& x)
{
    return os << ' (' << real (x) << "," << imag (x) << ')';
}

 

  下面讲一下为什么有的操作符重载函数定义成非成员函数？

  我们知道，操作符重载只作用在左边的操作数上，试想一下，如果把“<<”定义为成员函数，那每次调用岂不是要这样c1 << cout

  

完整代码

  以上就是我在学习过程中特别注意的地方，下面给出complex类完整代码，只不过多了几种操作运算，大体思路完全一致。

complex.h

  1 #ifndef __MYCOMPLEX__
  2 #define __MYCOMPLEX__
  3 
  4 class complex; 
  5 complex&
  6   __doapl (complex* ths, const complex& r);
  7 complex&
  8   __doami (complex* ths, const complex& r);
  9 complex&
 10   __doaml (complex* ths, const complex& r);
 11 
 12 
 13 class complex
 14 {
 15 public:
 16   complex (double r = 0, double i = 0): re (r), im (i) { }
 17   complex& operator += (const complex&);
 18   complex& operator -= (const complex&);
 19   complex& operator *= (const complex&);
 20   complex& operator /= (const complex&);
 21   double real () const { return re; }
 22   double imag () const { return im; }
 23 private:
 24   double re, im;
 25 
 26   friend complex& __doapl (complex *, const complex&);
 27   friend complex& __doami (complex *, const complex&);
 28   friend complex& __doaml (complex *, const complex&);
 29 };
 30 
 31 
 32 inline complex&
 33 __doapl (complex* ths, const complex& r)
 34 {
 35   ths->re += r.re;
 36   ths->im += r.im;
 37   return *ths;
 38 }
 39  
 40 inline complex&
 41 complex::operator += (const complex& r)
 42 {
 43   return __doapl (this, r);
 44 }
 45 
 46 inline complex&
 47 __doami (complex* ths, const complex& r)
 48 {
 49   ths->re -= r.re;
 50   ths->im -= r.im;
 51   return *ths;
 52 }
 53  
 54 inline complex&
 55 complex::operator -= (const complex& r)
 56 {
 57   return __doami (this, r);
 58 }
 59  
 60 inline complex&
 61 __doaml (complex* ths, const complex& r)
 62 {
 63   double f = ths->re * r.re - ths->im * r.im;
 64   ths->im = ths->re * r.im + ths->im * r.re;
 65   ths->re = f;
 66   return *ths;
 67 }
 68 
 69 inline complex&
 70 complex::operator *= (const complex& r)
 71 {
 72   return __doaml (this, r);
 73 }
 74  
 75 inline double
 76 imag (const complex& x)
 77 {
 78   return x.imag ();
 79 }
 80 
 81 inline double
 82 real (const complex& x)
 83 {
 84   return x.real ();
 85 }
 86 
 87 inline complex
 88 operator + (const complex& x, const complex& y)
 89 {
 90   return complex (real (x) + real (y), imag (x) + imag (y));
 91 }
 92 
 93 inline complex
 94 operator + (const complex& x, double y)
 95 {
 96   return complex (real (x) + y, imag (x));
 97 }
 98 
 99 inline complex
100 operator + (double x, const complex& y)
101 {
102   return complex (x + real (y), imag (y));
103 }
104 
105 inline complex
106 operator - (const complex& x, const complex& y)
107 {
108   return complex (real (x) - real (y), imag (x) - imag (y));
109 }
110 
111 inline complex
112 operator - (const complex& x, double y)
113 {
114   return complex (real (x) - y, imag (x));
115 }
116 
117 inline complex
118 operator - (double x, const complex& y)
119 {
120   return complex (x - real (y), - imag (y));
121 }
122 
123 inline complex
124 operator * (const complex& x, const complex& y)
125 {
126   return complex (real (x) * real (y) - imag (x) * imag (y),
127                real (x) * imag (y) + imag (x) * real (y));
128 }
129 
130 inline complex
131 operator * (const complex& x, double y)
132 {
133   return complex (real (x) * y, imag (x) * y);
134 }
135 
136 inline complex
137 operator * (double x, const complex& y)
138 {
139   return complex (x * real (y), x * imag (y));
140 }
141 
142 complex
143 operator / (const complex& x, double y)
144 {
145   return complex (real (x) / y, imag (x) / y);
146 }
147 
148 inline complex
149 operator + (const complex& x)
150 {
151   return x;
152 }
153 
154 inline complex
155 operator - (const complex& x)
156 {
157   return complex (-real (x), -imag (x));
158 }
159 
160 inline bool
161 operator == (const complex& x, const complex& y)
162 {
163   return real (x) == real (y) && imag (x) == imag (y);
164 }
165 
166 inline bool
167 operator == (const complex& x, double y)
168 {
169   return real (x) == y && imag (x) == 0;
170 }
171 
172 inline bool
173 operator == (double x, const complex& y)
174 {
175   return x == real (y) && imag (y) == 0;
176 }
177 
178 inline bool
179 operator != (const complex& x, const complex& y)
180 {
181   return real (x) != real (y) || imag (x) != imag (y);
182 }
183 
184 inline bool
185 operator != (const complex& x, double y)
186 {
187   return real (x) != y || imag (x) != 0;
188 }
189 
190 inline bool
191 operator != (double x, const complex& y)
192 {
193   return x != real (y) || imag (y) != 0;
194 }
195 
196 #include <cmath>
197 
198 inline complex
199 polar (double r, double t)
200 {
201   return complex (r * cos (t), r * sin (t));
202 }
203 
204 inline complex
205 conj (const complex& x) 
206 {
207   return complex (real (x), -imag (x));
208 }
209 
210 inline double
211 norm (const complex& x)
212 {
213   return real (x) * real (x) + imag (x) * imag (x);
214 }
215 
216 ostream&
217 operator << (ostream& os, const complex& x)
218 {
219   return os << '(' << real (x) << ',' << imag (x) << ')';
220 }
221 
222 #endif   //__MYCOMPLEX__

 

complex_test.cpp

 1 #include <iostream>
 2 #include "complex.h"
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 int main()
 7 {
 8   complex c1(2, 1);
 9   complex c2(4, 0);
10 
11   cout << c1 << endl;
12   cout << c2 << endl;
13   
14   cout << c1+c2 << endl;
15   cout << c1-c2 << endl;
16   cout << c1*c2 << endl;
17   cout << c1 / 2 << endl;
18   
19   cout << conj(c1) << endl;
20   cout << norm(c1) << endl;
21   cout << polar(10,4) << endl;
22   
23   cout << (c1 += c2) << endl;
24   
25   cout << (c1 == c2) << endl;
26   cout << (c1 != c2) << endl;
27   cout << +c2 << endl;
28   cout << -c2 << endl;
29   
30   cout << (c2 - 2) << endl;
31   cout << (5 + c2) << endl;
32   
33   return 0;
34 }

 

 

总结

  作为初学者，一定要养成良好的编程习惯，正如侯捷所说：“一出手就是大家风范”。

 

posted @ 2018-05-29 20:50  隐秀  阅读(1884)  评论(0)  编辑  收藏  举报