C#運算符重載的概念是什么呢？

重載是面向對象中的一個重要概念，它是對象多態性的一種不完全體現，人們通常所說的重載，往往指的是函數的重載。本文向讀者介紹一種新的重載模型——運算符重載。

為什么需要C#運算符重載

函數的重載為一個對象上的相同行為提供不同的參數方式，這樣，開發人員便可以使用這些不同的參數實現類似的功能。一組函數重載決策一般實現的功能是相同的，例如對 Object 對象上的 ToString() 方法就有幾個重載版本，雖然它們接受的參數不同，但卻都表達同一個行為的最終結果。參數的不同導致函數重載版本的簽名不同，這樣編譯器很容易知道需要調用那一個重載版本。這種技術給開發人員帶來了方便。

現在我們試圖對重載的定義進行推廣。先讓我們看看最簡單的例子，我們通常需要像這樣聲明并初始化一個值類型的變量：

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

這里的“=”運算符，就是將右邊的值傳遞給左邊變量的賦值運算符。這里，5 的類型為 int，“Hello, World”的類型為 string，這與左邊被賦值的變量類型完全一致。

但對于上述的解釋，我們還可以這樣認為：5 的類型為 uint 或 byte，"Hello, World"的類型為 char[]，那么如此一來，賦值運算左邊和右邊的類型就不在等同，那么編譯器如何處理呢？有人會說，這就是“隱式類型轉換”，這個答案確實很好，但隱式類型轉換的規則已經被編譯器確定，如果賦值運算的兩端不遵循隱式類型轉換規則，則需要顯式類型轉換，例如：

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

這些顯式類型轉換并不適用于任何場合，也許人們希望在其自定義的類中也能用賦值、加減乘除等語法操作它們。

對象和對象之間是可能存在這種特殊的運算關系的，一個典型的例子就是“復數”對象。復數是一個值類型對象，它包含兩個 double 類型的域，兩個復數對象可以被加、減、乘、除和相等性判斷，但無法比較大小。我們試想可以如此操作復數類：

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; 

我們可以從這些代碼可以預見C#運算符重載所需要實現的功能：

1、支持隱式類型轉換和顯式類型轉換的重載決策。

2、支持基本二元運算符，如加、減、乘、除等。

3、支持基本一元運算符，如取負、取反、自增、自減等。

4、支持基本關系運算符，如大于、小于、等于和不等于等。

5、實現更加復雜的運算符，如三元運算、[]、()、位運算等。

事實上，運算符重載的提出就是為了解決這些問題。在 CLR 框架下的各種 CLR 語言，均不同程度的支持運算符重載。Visual Basic 在 8.0 版本上（也就是 Visual Studio 2005）也支持了運算符重載，運算符重載除了以上列出的優點外，還具備如下特點。

1、使得代碼更加容易理解和閱讀。

2、可以利用現有運算符的優先級關系規則處理對象之間的運算。

3、使得代碼更加靈活，對象可操作性更好。

4、開發人員可以舉一反三，因為他們熟悉了常規值類型上的運算符使用，這樣可以直接將這些規則引入到自定義對象上。

下面我們通過介紹復數類的定義，來深入 C# 語言中的運算符重載。

C# 運算符重載決策示例

下面的例子定義一個 Complex 類，實現了復數加、減、乘和除的四則運算。C# 中定義常規運算符的語法如下：

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

下面是C#運算符重載（C# 3.0） 代碼。

    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C#運算符重載定義在定義它的對象實例上生效，所以可以改寫 operator - 和 operator / 運算，使其更加簡單。

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 };  
} 

這樣我們就可以很方便的使用 Complex 類：

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

為了實現更加簡單的賦值，我們還需要實現隱式類型轉換（從 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]) };  
} 

可以通過如下代碼對實例進行賦值。

Complex c = "4+5i"; 

在編譯器生成這些運算符重載代碼時，實際上會為每個已被重載運算符定義一個特殊名稱的方法。如 operator +，其實等同于如下代碼：

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

C# 運算符重載一覽表

您可以在 C# 中對于以下運算符進行重載決策。

◆+, -, !, ~, ++, --, true, false

這些一元運算符可被重載。

◆+, -, *, /, %, &, |, ^, <<, >>

這些二元運算符可被重載。

◆==, !=, <, >, <=, >=

這些關系運算符可被重載。

◆&&, ||

這些條件運算符不能被重載，但它們的值被 & 和 | 評估，而這兩個運算符可以重載。

◆[]

數組運算符不能被重載，但您可以定義索引器。

◆()

轉換運算符不能被重載，但您可以定義隱式類型轉換和顯式類型轉換運算符。

◆+=, -=, *=, /=, %=, &=, |=, ^=, <<=, >>=

這些賦值運算符不能被重載，但他們的值，如 +=，會被 + 評估，而 + 可以被重載。

◆=, ., ?:, ->, new, is, sizeof, typeof

這些運算符不能被重載。

C# 中的運算符重載結論

C# 中的運算符重載是對重載概念的一個重要補充和發展，它針對對象關系中的多元關系和四則運算、關系運算等常規運算提供了重載支持，開發人員可以利用運算符重載優化利用到這些關系的實現代碼中，以提高生產力。

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