Lekce 10 - Přetěžování operátorů v C++

V minulé lekci, Konstantní metody v C++, jsme si popsali konstantní metody v C++. Tentokrát si v tutoriálu řekneme o přetěžování operátorů v C++ a nějaké přetížení si nadefinujeme.

Operátory

Co je to vlastně operátor? Operátory jsou operace, které v kódu provádíme pomocí speciálního zápisu. Téměř všechny operátory již znáte - aritmetické operace nad čísly, binární operace, inkrementace a spousta dalších. Jedná se o speciální zápis (+, && atd.) a jejich funkci si můžeme pro vlastní typy předefinovat. Seznam všech operátorů naleznete v tabulce.

Ne všechny operátory lze předefinovat. C++ nepovolí předefinovat rozlišení scopu (::) a přístup do třídy (operátor tečky). Dále nejde nadefinovat nové operátory (například ** nebo <>). Dalším omezením je, že nemůžeme předefinovat prioritu operátorů (tj. krát se vždy vyhodnotí před plus). I přes tato omezení mají programátoři spoustu volnosti a jedná se o silnou konstrukci jazyka.

K čemu nám to vlastně všechno je? Můžeme například psát knihovnu, která dokáže reprezentovat nekonečně velká čísla (pro připomínku - pro typ int je maximální hodnota 2 147 483 647). Pro takovou knihovnu má smysl nadefinovat operace, které od čísel očekáváme (sčítání, násobení, porovnání a další). Operátory nicméně můžeme přetížit i v přeneseném významu, například jak to dělají objekty cin a cout. Ty mají přetížený operátor binárního posunu (<< a >>), pomocí kterých vypisují (nebo čtou) data do (z) konzole.

Přetěžování operátorů je velmi diskutované téma - existují jeho zastánci a odpůrci. Na jednu stranu ztrácíme informaci o akci. Takový operátor + na třídě Motyl nic moc neřekne, zatímco ekvivalentní metoda paritSe() již ano. Na druhou stranu je v jiných situacích (například u zmíněné numerické knihovny) použití operátorů naprosto přirozené. Některé jazyky (Java, JavaScript, Go) přetěžování operátorů vůbec nepřipouštějí, zatímco jiné jazyky (C#, Python, PHP) jej dovolují. Používejte tedy přetěžování operátorů s rozumem - mým doporučením je nadefinovat metodu, která vykoná požadovanou akci a k ní teprve dodefinovat operátor, který tuto metodu bude pouze volat. Dovolíte tím oba přístupy a uživatelé si budou moci vybrat, jakého přístupu využijí.

Parametry

Před tím, než si nějaký operátor napíšeme, si musíme říci něco o parametrech. Každý z operátorů vyžaduje trochu jiný typ parametru. Je to způsobeno použitím, například u porovnávacích operátorech (<, == aj.) předpokládáme, že nemění instanci - měly by mít tedy konstantní parametry. Na druhou stranu, operátor přiřazení (=) musí změnit aktuální instanci, ten tedy nemůže být konstantní. Správnou syntaxi můžete najít na wikipedii (bohužel pouze v angličtině). U každého operátoru je napsáno, zda jde nadefinovat a jak vypadá deklarace ve třídě a mimo třídu. Co to znamená, si řekneme hned.

Operátor mimo třídu

Pokud použijeme přetížení operátoru mimo třídu, píšeme vlastně funkci. Rozdíl oproti normální funkci je v názvu - pro operátory má speciální název. Vždy začíná klíčový slovem operator následovaným samotným operátorem. Například pro naši třídu Bojovnik si nadefinujeme operátor <<, abychom mohli vypsat bojovníka do konzole.

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Kostka
{
private:
    int pocet_sten;
    static bool inicializovano;
public:
    Kostka();
    Kostka(int pocet_sten);
    int hod();
    int getPocetSten() const;
};

bool Kostka::inicializovano = false;

Kostka::Kostka() : Kostka(6)
{
}

Kostka::Kostka(int pocet_sten)
{
    this->pocet_sten = pocet_sten;
    if (!Kostka::inicializovano)  //nebo if(!inicializovano)
    {
        srand((unsigned int)time(NULL));
        inicializovano = true; //nebo Kostka::inicializovano = true;
    }
}

int Kostka::hod()
{
    return rand() % this->pocet_sten + 1;
}

int Kostka::getPocetSten() const
{
    return this->pocet_sten;
}

//Bojovnik.h
class Bojovnik
{
private:
    float zivot;
    float max_zivot;
    float utok;
    float obrana;
    Kostka &kostka;
public:
    Bojovnik(float zivot, float utok, float obrana, Kostka &kostka);
    bool nazivu() const;
    float utoc(Bojovnik &druhy) const;
    float getZivot() const;
    float getMaxZivot() const;
    float getUtok() const;
    float getObrana() const;
};

// deklarace
ostream& operator << (ostream &str, const Bojovnik &bojovnik);


Bojovnik::Bojovnik(float zivot, float utok, float obrana, Kostka &kostka) :
    kostka(kostka), zivot(zivot), max_zivot(zivot), utok(utok), obrana(obrana)
{}

bool Bojovnik::nazivu() const
{
    return this->zivot > 0;
}

float Bojovnik::utoc(Bojovnik & druhy) const
{
    float obrana_druhy = druhy.obrana + druhy.kostka.hod();
    float utok_prvni = this->utok + this->kostka.hod();
    float zraneni = utok_prvni - obrana_druhy;
    if (zraneni < 0)
        zraneni = 0;
    druhy.zivot -= zraneni;
    return zraneni;
}

float Bojovnik::getZivot() const
{
    return this->zivot;
}

float Bojovnik::getMaxZivot() const
{
    return this->max_zivot;
}

float Bojovnik::getUtok() const
{
    return this->utok;
}

float Bojovnik::getObrana() const
{
    return this->obrana;
}


// Bojovnik.cpp
ostream & operator<<(ostream & str, const Bojovnik & bojovnik)
{
    if (!bojovnik.nazivu())
    {
        str << "mrtev" << endl;
        return str;
    }
    str << "[";
    float pocet_zivotu_procent = bojovnik.getZivot() / bojovnik.getMaxZivot();
    for (double z = 0; z < 1.0; z += 0.1)
        str << (z < pocet_zivotu_procent ? '#' : ' ');
    str << "] (utok: " << bojovnik.getUtok() << ", obrana: " << bojovnik.getObrana() << ")" << endl;
    return str;
}


// main.cpp
int main()
{

// main.cpp
Kostka kostka;
Bojovnik bojovnik(100, 8, 5, kostka);
cout << bojovnik;

    return 0;
}

Neděste se použití třídy ostream - cout je z ní odvozen. Vidíme typické rozhraní, které metoda musí splňovat - prvním parametrem musí být reference na ostream, druhým parametrem musí být konstantní reference na naši třídu. Návratovým typem je opět reference na ostream a vrací se hodnota z parametru. Výsledek:

Konzolová aplikace
[###########] (utok: 8, obrana: 5)

Je nutno podotknout, že se jedná se o jediný způsob, jak můžeme do konzole zapisovat pomocí cout (protože objekt cout už měnit nemůžeme). Ačkoliv je použita nová syntaxe, stále se jedná pouze o funkci - nemáme přístup k privátním členským proměnným!

Členské operátory

Druhý způsob, jak můžeme napsat vlastní operátor, je jako členskou metodu. Díky tomuto přístupu máme přístup i k privátním atributům, protože se nejedná o funkci, ale o metodu. Oproti funkci se zmenší počet parametrů, protože levý operand již máme - je v ukazateli this. Můžeme si například předefinovat operátor a > b tak, aby znamenal "a útočí na b". Potom by ale dávalo smysl mít i a < b jako "b útočí na a". Implementace je velmi jednoduchá - jen zavoláme metodu utoc() správným směrem.

class Bojovnik
{
//...zbytek implementace
    float operator > (Bojovnik& druhy) const;
    float operator < (const Bojovnik& druhy);
};

//Bojovnik.cpp
//...zbytek implementace
float Bojovnik::operator > (Bojovnik & druhy) const
{
    return this->utoc(druhy);
}

float Bojovnik::operator < (const Bojovnik & druhy)
{
    return druhy.utoc(*this);
}

Všimněte si použití konstant. V každém případě je konstantní něco jiného, protože v prvním případě se metoda volá na útočníkovi, zatímco ve druhém na obránci. Teď můžeme upravit implementaci v souboru Arena.cpp tak, aby naše nové operátory používala (pro výpis i pro souboj):

Arena.cpp

//...zbytek implementace
void Arena::vypis() const
{
    cout << "-------------- Arena --------------" << endl;
    cout << "Tah: " << this->tah << endl;
    cout << "Zdravi bojovniku:" << endl;
    for (int i = 0; i < this->pocet_hracu; i++)
    {
        cout << "\t" << this->hraci[i]->getJmeno() << ": "; //vypíšeme jméno bojovníka
        cout << this->hraci[i]->getBojovnik(); //použití << operátoru
    }
}

void Arena::zapas()
{
    while (!this->existujeVitaz())
    {
        this->vypis();
        for (int i = 0; i < this->pocet_hracu; i++)
        {
            if (!this->hraci[i]->getBojovnik().nazivu())
                continue;
            if (this->existujeVitaz())
                break;t
            int utok_na = (i + 1) % this->pocet_hracu;
            while (!this->hraci[utok_na]->getBojovnik().nazivu())
                utok_na = (utok_na + 1) % this->pocet_hracu;
            // POUŽITÍ > OPERÁTORU
            float zraneni = this->hraci[i]->getBojovnik() > this->hraci[utok_na]->getBojovnik();
            cout << this->hraci[i]->getJmeno() << " utoci na "
                << this->hraci[utok_na]->getJmeno() << " za " << zraneni << " zraneni" << endl;
        }
        this->tah++;
    }
}

Jak jsem varoval na začátku, změnili jsme význam operátoru >. To může být někdy problematické, protože pokud po nás bude program někdo číst, nemusí mu být hned jasné, co program dělá. Proto znovu zdůrazňuji, ať používáte operátory s rozumem.

Přetypování

Poslední věc, která s operátory úzce souvisí, je přetypování. Pokud má jít naše třída převést na jiný typ, musíme o tom dát kompilátoru vědět. Přetypování má trochu jinou syntaxi - nemá návratový typ (ten je na místě operátoru). Nejlépe opět poslouží ukázka - chceme převést hráče na řetězec:

Player.h

class Hrac
{
private:
    Bojovnik bojovnik;
    string jmeno;
public:
    static const int MIN_DELKA_JMENA = 4;
    Hrac(string jmeno, Kostka &kostka);
    string getJmeno() const;
    Bojovnik& getBojovnik();
    operator string() const; //operátor převodu na string
};

Hrac.cpp

//...zbytek implementace
Hrac::operator string() const
{
    return string("Hrac ") + this->jmeno;
}

//main.cpp
Hrac x("Karel", kostka);
string reprezentace = x;
cout << reprezentace << endl;

Hráč se sám převedl na typ string, aniž bychom ho do toho nějak nutili. Zajímavostí je, že pokud nadefinujeme přetypování na typ string nebo char*, potom máme v principu hotový operátor pro výstup, protože pouze zavoláme přetypování na string.

ostream & operator<<(ostream & str, const Hrac & hrac)
{
    str << (string)hrac;
    return str;
}

To je pro dnešní lekci vše. Vím, že se jedná o jeden z těch náročnějších dílů, ale pozitivní je, že si nemusíte vše pamatovat. Důležité věci jsou 3 - existuje nějaké přetěžování operátorů, používá se klíčové slovo operator a lze tím vyřešit i přetypování. V příští lekci, Kopírovací konstruktory v C++, se blíže podíváme na kopírovací konstruktor, který je velmi důležitý.