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18.11 - 使用 << 运算符打印继承类

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"Key Takeaway"

  • 友元函数不属于成员函数，因此不能是虚函数
  • 不同类<<需要传入不同类的对象，所以即使能定义为虚函数，派生类也没法重写它
  • 友元的运算符可以将实际工作委派给一个普通的成员函数（虚函数），而且无需在派生类中实现该运算符，只需要实现该虚函数的重写函数即可

下面这个程序使用了虚函数：

#include <iostream>
 
class Base
{
public:
	virtual void print() const { std::cout << "Base";  }
};
 
class Derived : public Base
{
public:
	void print() const override { std::cout << "Derived"; }
};
 
int main()
{
	Derived d{};
	Base& b{ d };
	b.print(); // will call Derived::print()
 
	return 0;
}

b.print() 会调用 Derived::print() (因为 b 指向 Derived 类型的对象 object，Base::print()是一个虚函数，而且 Derived::print() 是重写函数)。

虽然调用print()这样的成员函数来执行输出是可以的，但这种类型的函数不能很好地与std::cout一起使用：

#include <iostream>
 
int main()
{
	Derived d{};
	Base& b{ d };
 
	std::cout << "b is a ";
	b.print(); // 显得杂乱，与一般的输出语句格格不入
	std::cout << '\n';
 
	return 0;
}

在这节课中，我们会学习如何使用 operator<< 打印继承类的信息，使我们可以使用下面的风格来使用：

std::cout << "b is a " << b << '\n'; // much better

挑战

首先我们使用重载的方式实现 operator<< ：

#include <iostream>
 
class Base
{
public:
	virtual void print() const { std::cout << "Base"; }
 
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Base& b)
	{
		out << "Base";
		return out;
	}
};
 
class Derived : public Base
{
public:
	void print() const override { std::cout << "Derived"; }
 
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Derived& d)
	{
		out << "Derived";
		return out;
	}
};
 
int main()
{
	Base b{};
	std::cout << b << '\n';
 
	Derived d{};
	std::cout << d << '\n';
 
	return 0;
}

由于不需要虚函数解析，所以程序能够正确地工作并打印：

Base
Derived

再考虑下面的 main() ：

int main()
{
    Derived d{};
    Base& bref{ d };
    std::cout << bref << '\n';
 
    return 0;
}

打印结果：

Base

显然输出结果不是我们想要的。当配合Base使用非虚的 operator<< 时，std::cout << bref 会调用基类的 operator<< 。

这就是我们要面临的挑战。

Operator << 可以是虚函数吗？

如果问题的原因在于 operator<< 不是虚函数，那么可以把它设为 virtual吗？

不行！而且有很多原因：

首先，只有成员函数可以被虚拟化——这是有意义的，因为只有类可以从其他类继承，没有办法重写存在于类外部的函数(可以重载非成员函数，但不能重写它们)。因为我们通常将操作符<<实现为友元，而友元不被视为成员函数，所以操作符<<的友元版本不符合称为虚函数的条件。(要了解为什么要以这种方式实现操作符<<，请看14.5 -使用成员函数重载运算符)。

其次，即使我们可以把 operator<< 定义为虚函数，也存在 Base::operator<< 和 Derived::operator<< 的函数形参不同的问题(Base版本将接受Base形参，而Derived版本将接受Derived形参)。因此，Derived 版本不会被认为是Base版本的重写，因此不符合虚函数解析的条件。

那么应该怎么做呢？

解决办法

答案非常简单。

首先，在类中添加友元函数 operator<< 。但是，不要让 operator<<自己否则实际的打印，而是将这打印工作委托给一个可以被虚化的普通成员函数！

以下是有效的解决方案:

#include <iostream>
 
class Base
{
public:
	// 重载的 operator<<
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Base& b)
	{
		// 委派给成员函数 print()
		return b.print(out);
	}
 
	// 我们依赖 print() 函数进行实际的打印工作
	// 因为 print 是一个普通的成员函数，所以可以是虚函数
	virtual std::ostream& print(std::ostream& out) const
	{
		out << "Base";
		return out;
	}
};
 
class Derived : public Base
{
public:
	// 重写的 print 函数
	std::ostream& print(std::ostream& out) const override
	{
		out << "Derived";
		return out;
	}
	//不需要实现operator<<
};
 
int main()
{
	Base b{};
	std::cout << b << '\n';
 
	Derived d{};
	std::cout << d << '\n'; // 注意，这一行代码可以正确工作，即使派生类都没有实现该运算符
 
	Base& bref{ d };
	std::cout << bref << '\n';
 
	return 0;
}

三条语句都能正确执行：

Base
Derived
Derived

让我们更详细地研究一下如何做到这一点。

首先，对于 Base 的例子，调用 operator<< 时会调用虚函数 print() 。因为的Base 引用参数指向一个Base对象，b.print() 解析为Base::print() 并执行打印。这里没什么特别的。

在对于Derived的例子，编译器首先查看是否有接受 Derived对象的 << 。没有，因为我们没有定义，接下来，编译器查看是否有接受Base 对象的<<。有，所以编译器将Derived 对象隐式上转换为Base& 并调用函数，然后调用虚print() ，解析为Derived::print()。

注意，我们不需要为每个派生类定义operator<<，处理 Base 对象的版本对Base 及其派生的任何类可用！

第三种情况是前两种情况的混合。首先，编译器将变量bref与带有 Base 参数的 operator<< 匹配。它调用了虚函数print()。因为Base引用实际上是指向一个Derived 对象，所以它解析为Derived::print() ，正如我们期望的那样。

问题搞定！

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