C++学习笔记——友元及重载运算符

目录

一、友元

1.1声明友元函数

1.2声明友元类

二、运算符重载

2.1重载加号运算符

2.2重载流插入运算符

三、一个简单的银行管理系统

四、 详细的介绍

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一、友元

在 C++ 中，友元是一个函数或类，它可以访问另一个类的私有成员或保护成员。通常情况下，我们在类定义中声明友元函数或友元类，以便它们能够访问类的私有成员。友元可以是一个函数、类、或整个命名空间。

1.1声明友元函数

首先，我们来看一下如何声明友元函数。假设我们有一个 Box 类，它表示一个三维立方体：

class Box {
public:
    Box(double l, double w, double h) : length(l), width(w), height(h) {}

private:
    double length;
    double width;
    double height;
};

我们想要计算一个 Box 对象的体积，但是 length、width 和 height 都是私有成员，无法在类外直接访问。这时候，我们可以使用友元函数来实现。我们可以在类定义中声明一个友元函数，并将其定义为一个全局函数：

class Box {
public:
    Box(double l, double w, double h) : length(l), width(w), height(h) {}

    friend double getVolume(Box box);

private:
    double length;
    double width;
    double height;
};

double getVolume(Box box) {
    return box.length * box.width * box.height;
}

在上面的代码中，我们在 Box 类定义中声明了一个友元函数 getVolume()，并将其定义为一个全局函数。在 getVolume() 函数中，我们可以直接访问 Box 类的私有成员 length、width 和 height，计算出它的体积并返回。

1.2声明友元类

除了友元函数，我们还可以声明友元类。假设我们有一个 Stack 类，它表示一个栈：

template <typename T>
class Stack {
public:
    Stack() : top(-1) {}

private:
    T data[10];
    int top;

    friend class StackIterator<T>;
};

我们想要实现一个迭代器类来遍历栈中的元素。但是，由于 data 和 top 都是私有成员，无法在迭代器类中直接访问。这时候，我们可以声明 StackIterator 类为 Stack 类的友元类：

template <typename T>
class StackIterator {
public:
    StackIterator(Stack<T>& s) : stack(s), index(s.top) {}

    T next() {
        return stack.data[index--];
    }

private:
    Stack<T>& stack;
    int index;
};

template <typename T>
class Stack {
public:
    Stack() : top(-1) {}

    friend class StackIterator<T>;

private:
    T data[10];
    int top;
};

在上面的代码中，我们声明了一个友元类 StackIterator，并在 Stack 类定义中将其声明为友元类。在 StackIterator 类中，我们可以直接访问 Stack 类的私有成员 data 和 top，实现了对栈的迭代。

二、运算符重载

C++ 中有一些运算符是可以被重载的，比如加号、减号、乘号、除号等等。通过重载运算符，我们可以改变它的行为，使其能够作用于我们自定义的类型。

2.1重载加号运算符

假设我们有一个 Complex 类，它表示一个复数：

class Complex {
public:
    Complex(double r = 0.0, double i = 0.0) : real(r), imag(i) {}

private:
    double real;
    double imag;
};

我们想要实现复数的加法运算，但是加号运算符无法直接作用于自定义的类型。这时候，我们可以重载加号运算符 +，使其能够对两个 Complex 对象进行相加，并返回一个新的 Complex 对象：

class Complex {
public:
    Complex(double r = 0.0, double i = 0.0) : real(r), imag(i) {}

    Complex operator+(const Complex& other) const {
        return Complex(real + other.real, imag + other.imag);
    }

private:
    double real;
    double imag;
};

在上面的代码中，我们重载了加号运算符 +，并定义了一个成员函数 operator+()。在函数中，我们定义了一个新的 Complex 对象，其实部为两个复数的实部相加，虚部为两个复数的虚部相加，并将其返回。

2.2重载流插入运算符

除了加号运算符，我们还可以重载其他运算符。比如，我们可以重载流插入运算符 <<，使其能够输出我们自定义的类型。假设我们有一个 Person 类，它表示一个人：

#include <iostream>
#include <string>

class Person {
public:
    Person(std::string n, int a) : name(n), age(a) {}

    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Person& p);

private:
    std::string name;
    int age;
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Person& p) {
    os << "Name: " << p.name << ", Age: " << p.age;
    return os;
}

int main() {
    Person p("Alice", 20);
    std::cout << p << std::endl;
    return 0;
}

在上面的代码中，我们重载了流插入运算符 <<，并将其定义为一个友元函数。在函数中，我们将 Person 对象的姓名和年龄输出到标准输出流 os 中，然后返回该流。在主函数中，我们创建了一个 Person 对象 p，并使用 << 运算符将其输出到标准输出流中。

需要注意的是，在重载运算符时需要遵循一些规则。比如，我们必须使用正确的参数类型和返回值类型，以及保证运算符的语义符合预期。此外，C++ 中还存在一些运算符是无法被重载的，比如条件运算符 ?:，作用域运算符 :: 等等。

三、一个简单的银行管理系统

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

class Account {
public:
    Account(std::string name, std::string accountNumber, double balance)
        : name(name), accountNumber(accountNumber), balance(balance) {}

    void deposit(double amount) {
        balance += amount;
        std::cout << "Deposit successful. New balance: " << balance << std::endl;
    }

    void withdraw(double amount) {
        if (balance >= amount) {
            balance -= amount;
            std::cout << "Withdrawal successful. New balance: " << balance << std::endl;
        } else {
            std::cout << "Insufficient balance." << std::endl;
        }
    }

    void displayInfo() {
        std::cout << "Name: " << name << std::endl;
        std::cout << "Account Number: " << accountNumber << std::endl;
        std::cout << "Balance: " << balance << std::endl;
    }

private:
    std::string name;
    std::string accountNumber;
    double balance;
};

class Bank {
public:
    void createAccount(std::string name, std::string accountNumber, double balance) {
        Account account(name, accountNumber, balance);
        accounts.push_back(account);
        std::cout << "Account created successfully." << std::endl;
    }

    void deposit(std::string accountNumber, double amount) {
        Account* account = findAccount(accountNumber);
        if (account != nullptr) {
            account->deposit(amount);
        } else {
            std::cout << "Account not found." << std::endl;
        }
    }

    void withdraw(std::string accountNumber, double amount) {
        Account* account = findAccount(accountNumber);
        if (account != nullptr) {
            account->withdraw(amount);
        } else {
            std::cout << "Account not found." << std::endl;
        }
    }

    void displayAllAccounts() {
        for (const auto& account : accounts) {
            account.displayInfo();
            std::cout << "---------------------------" << std::endl;
        }
    }

private:
    std::vector<Account> accounts;

    Account* findAccount(std::string accountNumber) {
        for (auto& account : accounts) {
            if (account.getAccountNumber() == accountNumber) {
                return &account;
            }
        }
        return nullptr;
    }
};

int main() {
    Bank bank;
    int choice;

    do {
        std::cout << "1. Create Account" << std::endl;
        std::cout << "2. Deposit" << std::endl;
        std::cout << "3. Withdraw" << std::endl;
        std::cout << "4. Display All Accounts" << std::endl;
        std::cout << "5. Exit" << std::endl;
        std::cout << "Enter your choice: ";
        std::cin >> choice;

        if (choice == 1) {
            std::string name, accountNumber;
            double balance;
            std::cout << "Enter name: ";
            std::cin >> name;
            std::cout << "Enter account number: ";
            std::cin >> accountNumber;
            std::cout << "Enter initial balance: ";
            std::cin >> balance;
            bank.createAccount(name, accountNumber, balance);
        } else if (choice == 2) {
            std::string accountNumber;
            double amount;
            std::cout << "Enter account number: ";
            std::cin >> accountNumber;
            std::cout << "Enter amount to deposit: ";
            std::cin >> amount;
            bank.deposit(accountNumber, amount);
        } else if (choice == 3) {
            std::string accountNumber;
            double amount;
            std::cout << "Enter account number: ";
            std::cin >> accountNumber;
            std::cout << "Enter amount to withdraw: ";
            std::cin >> amount;
            bank.withdraw(accountNumber, amount);
        } else if (choice == 4) {
            bank.displayAllAccounts();
        }

    } while (choice != 5);

    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了两个类：Account 和 Bank。Account 类代表一个银行账户，具有姓名、账号和余额属性，以及存款、取款和展示信息的方法。Bank 类代表整个银行系统，具有创建账户、存款、取款和显示所有账户的方法。其中，存款和取款的操作会调用 Account 类相应的方法。

在主函数中，我们通过简单的菜单来模拟用户与银行系统的交互。用户可以选择创建账户、存款、取款或显示所有账户的操作，直到选择退出。

四、 详细的介绍

以下是代码中每个部分的更详细解释：

class Account {
public:
    Account(std::string name, std::string accountNumber, double balance)
        : name(name), accountNumber(accountNumber), balance(balance) {}

在 Account 类的构造函数中，我们使用传入的参数来初始化私有成员变量 name、accountNumber 和 balance。

    void deposit(double amount) {
        balance += amount;
        std::cout << "Deposit successful. New balance: " << balance << std::endl;
    }

deposit 方法用于存款操作。它接受一个 double 类型的参数 amount，代表要存入的金额。方法内部，我们将传入的金额加到余额上，并输出新的余额。

    void withdraw(double amount) {
        if (balance >= amount) {
            balance -= amount;
            std::cout << "Withdrawal successful. New balance: " << balance << std::endl;
        } else {
            std::cout << "Insufficient balance." << std::endl;
        }
    }

withdraw 方法用于取款操作。它接受一个 double 类型的参数 amount，代表要取出的金额。方法内部，我们首先检查账户余额是否足够，如果足够就从余额中减去取款金额，并输出新的余额。如果余额不足，则输出错误信息。

    void displayInfo() {
        std::cout << "Name: " << name << std::endl;
        std::cout << "Account Number: " << accountNumber << std::endl;
        std::cout << "Balance: " << balance << std::endl;
    }

displayInfo 方法用于展示账户的信息。它输出账户的姓名、账号和余额。

class Bank {
public:
    void createAccount(std::string name, std::string accountNumber, double balance) {
        Account account(name, accountNumber, balance);
        accounts.push_back(account);
        std::cout << "Account created successfully." << std::endl;
    }

createAccount 方法用于创建一个新的账户。它接受三个参数：姓名、账号和初始余额。方法内部，我们创建一个新的 Account 对象，并将其添加到 accounts 列表中。然后，我们输出成功创建账户的消息。

    void deposit(std::string accountNumber, double amount) {
        Account* account = findAccount(accountNumber);
        if (account != nullptr) {
            account->deposit(amount);
        } else {
            std::cout << "Account not found." << std::endl;
        }
    }

deposit 方法用于给指定账户存款。它接受两个参数：账户号码和存款金额。方法内部，我们通过调用 findAccount 方法来查找要操作的账户。如果找到了账户，则调用该账户的 deposit 方法执行存款操作。如果未找到账户，则输出错误信息。

    void withdraw(std::string accountNumber, double amount) {
        Account* account = findAccount(accountNumber);
        if (account != nullptr) {
            account->withdraw(amount);
        } else {
            std::cout << "Account not found." << std::endl;
        }
    }

withdraw 方法用于给指定账户取款。它接受两个参数：账户号码和取款金额。方法内部，我们通过调用 findAccount 方法来查找要操作的账户。如果找到了账户，则调用该账户的 withdraw 方法执行取款操作。如果未找到账户，则输出错误信息。

    void displayAllAccounts() {
        for (const auto& account : accounts) {
            account.displayInfo();
            std::cout << "---------------------------" << std::endl;
        }
    }

displayAllAccounts 方法用于展示银行中所有账户的信息。它遍历 accounts 列表，并对每个账户调用 displayInfo 方法来输出信息。在每个账户信息输出之后，我们打印分隔线以区分不同的账户。

int main() {
    Bank bank;
    int choice;

    do {
        std::cout << "1. Create Account" << std::endl;
        std::cout << "2. Deposit" << std::endl;
        std::cout << "3. Withdraw" << std::endl;
        std::cout << "4. Display All Accounts" << std::endl;
        std::cout << "5. Exit" << std::endl;
        std::cout << "Enter your choice: ";
        std::cin >> choice;

        if (choice == 1) {
            std::string name, accountNumber;
            double balance;
            std::cout << "Enter name: ";
            std::cin >> name;
            std::cout << "Enter account number: ";
            std::cin >> accountNumber;
            std::cout << "Enter initial balance: ";
            std::cin >> balance;
            bank.createAccount(name, accountNumber, balance);
        } else if (choice == 2) {
            std::string accountNumber;
            double amount;
            std::cout << "Enter account number: ";
            std::cin >> accountNumber;
            std::cout << "Enter amount to deposit: ";
            std::cin >> amount;
            bank.deposit(accountNumber, amount);
        } else if (choice == 3) {
            std::string accountNumber;
            double amount;
            std::cout << "Enter account number: ";
            std::cin >> accountNumber;
            std::cout << "Enter amount to withdraw: ";
            std::cin >> amount;
            bank.withdraw(accountNumber, amount);
        } else if (choice == 4) {
            bank.displayAllAccounts();
        }

    } while (choice != 5);

    return 0;
}

在 main 函数中，我们使用一个循环来模拟用户与银行系统的交互。我们显示一个简单的菜单，让用户选择不同的操作。根据用户的选择，我们调用 Bank 类的相应方法来执行操作。当用户选择退出时，循环结束，程序终止。