C++的流插入運算符“<<”和流提取運算符“>>”是C++在類庫中提供的，所有C++編譯系統(tǒng)都在類庫中提供輸入流類istream和輸出流類ostream。cin和cout分別是istream類和ostream類的對象。在類庫提供的頭文件中已經(jīng)對“<<”和“>>”進(jìn)行了重載，使之作為流插入運算符和流提取運算符，能用來輸出和輸入C++標(biāo)準(zhǔn)類型的數(shù)據(jù)。因此，凡是用“cout<<”和“cin>>”對標(biāo)準(zhǔn)類型數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入輸出的，都要用#include 把頭文件包含到本程序文件中。

用戶自己定義的類型的數(shù)據(jù)，是不能直接用“<<”和“>>”來輸出和輸入的。如果想用它們輸出和輸入自己聲明的類型的數(shù)據(jù)，必須對它們重載。

對“<<”和“>>”重載的函數(shù)形式如下：

  istream & operator >> (istream &, 自定義類 &);
  ostream & operator << (ostream &, 自定義類 &);

即重載運算符“>>”的函數(shù)的第一個參數(shù)和函數(shù)的類型都必須是istream&類型，第二個參數(shù)是要進(jìn)行輸入操作的類。重載“<<”的函數(shù)的第一個參數(shù)和函數(shù)的類型都必須是ostream&類型，第二個參數(shù)是要進(jìn)行輸出操作的類。因此，只能將重載“>>”和“<<”的函數(shù)作為友元函數(shù)或普通的函數(shù)，而不能將它們定義為成員函數(shù)。
重載流插入運算符“<<”

在程序中，人們希望能用插入運算符“<<”來輸出用戶自己聲明的類的對象的信息，這就需要重載流插入運算符“<<”。

[例] 用重載的“<<”輸出復(fù)數(shù)。

#include <iostream>
using namespace std;
class Complex
{
  public:
  Complex( ){real=0;imag=0;}
  Complex(double r,double i){real=r;imag=i;}
  Complex operator + (Complex &c2); //運算符“+”重載為成員函數(shù)
  friend ostream& operator << (ostream&,Complex&); //運算符“<<”重載為友元函數(shù)
  private:
  double real;
  double imag;
};
Complex Complex::operator + (Complex &c2)//定義運算符“+”重載函數(shù)
{
  return Complex(real+c2.real,imag+c2.imag);
}
ostream& operator << (ostream& output,Complex& c) //定義運算符“<<”重載函數(shù)
{
  output<<"("<<c.real<<"+"<<c.imag<<"i)"<<endl;
  return output;
}
int main( )
{
  Complex c1(2,4),c2(6,10),c3;
  c3=c1+c2;
  cout<<c3;
  return 0;
}

注意，在Visual C++ 6.0環(huán)境下運行時，需將第一行改為#include <iostream.h>，并刪去第2行，否則編譯不能通過。運行結(jié)果為：

(8+14i)

可以看到在對運算符“<<”重載后，在程序中用“<<”不僅能輸出標(biāo)準(zhǔn)類型數(shù)據(jù)，而且可以輸出用戶自己定義的類對象。用“cout<<c3”即能以復(fù)數(shù)形式輸出復(fù)數(shù)對象c3的值。形式直觀，可讀性好，易于使用。

下面對怎樣實現(xiàn)運算符重載作一些說明。程序中重載了運算符“<<”，運算符重載函數(shù)中的形參output是ostream類對象的引用，形參名output是用戶任意起的。分析main函數(shù)最后第二行：

  cout<<c3;

運算符“<<”的左面是cout，前面已提到cout是ostream類對象?！?lt;<”的右面是c3，它是Complex類對象。由于已將運算符“<<”的重載函數(shù)聲明為Complex類的友元函數(shù)，編譯系統(tǒng)把“cout<<c3”解釋為

  operator<<(cout, c3)

即以cout和c3作為實參，調(diào)用下面的operator<<函數(shù)：

  ostream& operator<<(ostream& output,Complex& c)
  {
    output<<"("<<c.real<<"+"<<c.imag<<"i)"<<endl;
    return output;
  }

調(diào)用函數(shù)時，形參output成為cout的引用，形參c成為c3的引用。因此調(diào)用函數(shù)的過程相當(dāng)于執(zhí)行：

cout<<″(″<<c3.real<<″+″<<c3.imag<<″i)″<<endl; return cout;

請注意，上一行中的“<<”是C++預(yù)定義的流插入符，因為它右側(cè)的操作數(shù)是字符串常量和double類型數(shù)據(jù)。執(zhí)行cout語句輸出復(fù)數(shù)形式的信息。然后執(zhí)行return語句。

請思考，return  output的作用是什么？回答是能連續(xù)向輸出流插入信息。output是ostream類的對象，它是實參cout的引用，也就是cout通過傳送地址給output，使它們二者共享同一段存儲單元，或者說output是cout的別名。因此，return output就是return cout，將輸出流cout的現(xiàn)狀返回，即保留輸出流的現(xiàn)狀。

請問返回到哪里？剛才是在執(zhí)行

  cout<<c3;

在已知cout<<c3的返回值是cout的當(dāng)前值。如果有以下輸出：

  cout<<c3<<c2;

先處理

  cout<<c3

即

  (cout<<c3)<<c2;

而執(zhí)行(cout<<c3)得到的結(jié)果就是具有新內(nèi)容的流對象cout，因此，(cout<<c3)<<c2相當(dāng)于cout(新值)<<c2。運算符“<<”左側(cè)是ostream類對象cout，右側(cè)是Complex類對象c2，則再次調(diào)用運算符“<<”重載函數(shù)，接著向輸出流插入c2的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在可以理解了為什么C++規(guī)定運算符“<<”重載函數(shù)的第一個參數(shù)和函數(shù)的類型都必須是ostream類型的引用，就是為了返回cout的當(dāng)前值以便連續(xù)輸出。

請讀者注意區(qū)分什么情況下的“<<”是標(biāo)準(zhǔn)類型數(shù)據(jù)的流插入符，什么情況下的“<<”是重載的流插入符。如

  cout<<c3<<5<<endl;

有下劃線的是調(diào)用重載的流插入符，后面兩個“<<”不是重載的流插入符，因為它的右側(cè)不是Complex類對象而是標(biāo)準(zhǔn)類型的數(shù)據(jù)，是用預(yù)定義的流插入符處理的。

還有一點要說明，在本程序中，在Complex類中定義了運算符“<<”重載函數(shù)為友元函數(shù)，因此只有在輸出Complex類對象時才能使用重載的運算符，對其他類型的對象是無效的。如

  cout<<time1; //time1是Time類對象，不能使用用于Complex類的重載運算符

重載流提取運算符“>>”

C++預(yù)定義的運算符“>>”的作用是從一個輸入流中提取數(shù)據(jù)，如“cin>>i;”表示從輸入流中提取一個整數(shù)賦給變量i(假設(shè)已定義i為int型)。重載流提取運算符的目的是希望將“>>”用于輸入自定義類型的對象的信息。

[例] 在上例的基礎(chǔ)上，增加重載流提取運算符“>>”，用“cin>>”輸入復(fù)數(shù)，用“cout<<”輸出復(fù)數(shù)。

#include <iostream>
using namespace std;
class Complex
{
  public:
  friend ostream& operator << (ostream&,Complex&); //聲明重載運算符“<<”
  friend istream& operator >> (istream&,Complex&); //聲明重載運算符“>>”
  private:
  double real;
  double imag;
};
ostream& operator << (ostream& output,Complex& c) //定義重載運算符“<<”
{
  output<<"("<<c.real<<"+"<<c.imag<<"i)";
  return output;
}
istream& operator >> (istream& input,Complex& c) //定義重載運算符“>>”
{
  cout<<"input real part and imaginary part of complex number:";
  input>>c.real>>c.imag;
  return input;
}
int main( )
{
  Complex c1,c2;
  cin>>c1>>c2;
  cout<<"c1="<<c1<<endl;
  cout<<"c2="<<c2<<endl;
  return 0;
}

運行情況如下：

input real part and imaginary part of complex number:3 6↙
input real part and imaginary part of complex number:4 10↙
c1=(3+6i)
c2=(4+10i)

以上運行結(jié)果無疑是正確的，但并不完善。在輸入復(fù)數(shù)的虛部為正值時，輸出的結(jié)果是沒有問題的，但是虛部如果是負(fù)數(shù)，就不理想，請觀察輸出結(jié)果。

input real part and imaginary part of complex number:3 6↙
input real part and imaginary part of complex number:4 -10↙
c1=(3+6i)
c2=(4+-10i)

根據(jù)先調(diào)試通過，最后完善的原則，可對程序作必要的修改。將重載運算符“<<”函數(shù)修改如下：

ostream& operator << (ostream& output，Complex& c)
{
  output<<"("<<c.real;
  if(c.imag>=0) output<<"+";//虛部為正數(shù)時，在虛部前加“+”號
  output<<c.imag<<"i)"<<endl; //虛部為負(fù)數(shù)時，在虛部前不加“+”號
  return output;
}

這樣，運行時輸出的最后一行為c2=(4-10i) 。

可以看到，在C++中，運算符重載是很重要的、很有實用意義的。它使類的設(shè)計更加豐富多彩，擴(kuò)大了類的功能和使用范圍，使程序易于理解，易于對對象進(jìn)行操作，它體現(xiàn)了為用戶著想、方便用戶使用的思想。有了運算符重載，在聲明了類之后，人們就可以像使用標(biāo)準(zhǔn)類型一樣來使用自己聲明的類。類的聲明往往是一勞永逸的，有了好的類，用戶在程序中就不必定義許多成員函數(shù)去完成某些運算和輸入輸出的功能，使主函數(shù)更加簡單易讀。好的運算符重載能體現(xiàn)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想。

可以看到，在運算符重載中使用引用(reference)的重要性。利用引用作為函數(shù)的形參可以在調(diào)用函數(shù)的過程中不是用傳遞值的方式進(jìn)行虛實結(jié)合，而是通過傳址方式使形參成為實參的別名，因此不生成臨時變量(實參的副本)，減少了時間和空間的開銷。此外，如果重載函數(shù)的返回值是對象的引用時，返回的不是常量，而是引用所代表的對象，它可以出現(xiàn)在賦值號的左側(cè)而成為左值(left value)，可以被賦值或參與其他操作(如保留cout流的當(dāng)前值以便能連續(xù)使用“<<”輸出)。但使用引用時要特別小心，因為修改了引用就等于修改了它所代表的對象。