C++ 下标运算符重载

C++下标运算符重载

简介

下标运算符重载（Subscript Operator Overloading）是C++中一种允许用户自定义类对象使用数组式访问（即`[]`运算符）的技术。通过重载`operator[]`，开发者可以为自定义类提供类似原生数组的访问方式，增强代码的可读性和灵活性。下标运算符通常用于容器类（如动态数组、矩阵、字典等），使其支持直观的元素访问语法。

语法

下标运算符重载的函数原型有两种形式，分别对应非const和const对象：

// 非const版本（允许修改返回值）
T& operator[](int index);

// const版本（只读访问）
const T& operator[](int index) const;

其中`T`是元素类型，`index`是下标参数。

基本示例

以下是一个简单的动态数组类`IntArray`，演示如何重载下标运算符：

#include <iostream>
#include <vector>

class IntArray {
private:
    std::vector<int> data;
public:
    IntArray(std::initializer_list<int> init) : data(init) {}

    // 非const版本
    int& operator[](size_t index) {
        if (index >= data.size()) {
            throw std::out_of_range("Index out of range");
        }
        return data[index];
    }

    // const版本
    const int& operator[](size_t index) const {
        if (index >= data.size()) {
            throw std::out_of_range("Index out of range");
        }
        return data[index];
    }

    size_t size() const { return data.size(); }
};

int main() {
    IntArray arr = {10, 20, 30, 40};

    // 修改元素（调用非const版本）
    arr[1] = 99;

    // 读取元素（可能调用const版本）
    for (size_t i = 0; i < arr.size(); ++i) {
        std::cout << arr[i] << " ";
    }
    // 输出：10 99 30 40
}

边界检查

良好的下标运算符实现应包含边界检查（如上例中的`if`语句），防止越界访问。C++标准库的`std::vector::operator[]`不进行边界检查，而`std::vector::at()`会抛出异常，开发者可根据需求选择风格。

多维访问

通过返回代理对象或使用多参数，可实现多维下标访问：

class Matrix {
private:
    std::vector<std::vector<int>> data;
public:
    Matrix(size_t rows, size_t cols) : data(rows, std::vector<int>(cols)) {}

    // 返回行代理
    std::vector<int>& operator[](size_t row) {
        return data[row];
    }

    // 多参数版本（C++23起支持）
    int& operator[](size_t row, size_t col) {
        return data[row][col];
    }
};

实际应用案例

案例：安全字符串类

class SafeString {
    char* buffer;
    size_t length;
public:
    SafeString(const char* str) : length(strlen(str)) {
        buffer = new char[length + 1];
        strcpy(buffer, str);
    }

    // 非const版本允许修改字符
    char& operator[](size_t index) {
        if (index >= length) throw std::out_of_range("Invalid index");
        return buffer[index];
    }

    // const版本用于只读访问
    const char& operator[](size_t index) const {
        if (index >= length) throw std::out_of_range("Invalid index");
        return buffer[index];
    }
};

注意事项

1. 返回值类型：通常返回引用以支持左值操作（如`obj[i] = x`） 2. const正确性：必须提供const版本以保证const对象可用 3. 异常安全：边界检查应抛出`std::out_of_range`等标准异常 4. 性能考量：频繁调用的场景可提供无检查版本（如`unsafe_at()`）

与其他运算符的关系

graph LR A[operator[]] --> B(容器类) A --> C(代理对象) C --> D[实现多维访问] A --> E[与operator=结合]

数学表示

对于类`C`的下标运算，可形式化表示为： $C::operator[](i)\mapsto v_i\text{其中}0\le i<n$

总结

下标运算符重载是C++实现类数组行为的核心工具，正确使用能大幅提升API的直观性。开发者需注意边界安全、const正确性和返回值设计，结合实际需求选择最合适的实现方案。