为什么 C++ 中的赋值运算符重载必须返回引用

在 C++ 中，**运算符重载** 是为用户定义的类型（如类和结构体）上的内置运算符定义新含义的过程。通过重载运算符，我们可以设计出更自然、更易于理解的代码，使其在处理 +、-、=、== 等运算符时，其行为与标准类型类似。

例如，假设存在一个表示复数的类。如果未实现运算符重载，则在想对两个复数进行相加时，您可能需要编写类似 add(c1, c2) 的代码。但如果重载了 + 运算符，那么 c1 + c2 的运算就更加直观，并且符合数学中的加法运算。这种语法糖的好处首先是使代码更易于理解，因为这些运算看起来很熟悉。

运算符重载并非定义新运算符，而是允许现有运算符用于用户定义的类型。重载运算符时，应避免扭曲运算符的实际含义和用途。过度使用运算符重载可能会产生一些负面影响，导致长且不清晰的运算符序列，因此在重载运算符时，必须确保其逻辑清晰。

理解赋值运算符

**赋值运算符 (=)** 可能是 C++ 语言中最常用的运算符之一。它用于将一个对象的值复制到另一个对象。对于整数、浮点数等内置类型，赋值运算符仅通过将运算符右侧的操作数复制到运算符左侧来工作。例如，在语句 int a = 5; int b = a; 中，a 的值被赋给了 b。

• 当处理类等用户定义类型时，如果编译器提供的默认行为不满足要求，则必须重载赋值运算符。编译器自动提供的赋值运算符执行的是浅拷贝，它会将一个对象的所有成员变量复制到另一个对象。
• 尽管对于简单的类来说，这种默认行为可能有效，但当类包含动态内存、资源和指针等特性时，可能会出现问题。
• 假设定义了一个可以处理动态数组的类。如果您依赖于默认的赋值运算符，可能会出现双重释放或实际内存损坏等问题，因为实际对象可能指向相同的内存地址。
• 为了正确处理这种情况，必须使用运算符重载，特别是赋值运算符，其操作应该是创建一个数据的全新副本，而不是复制链接数据的地址。

返回引用的重要性

重载赋值运算符时，必须返回当前对象的引用 (*this) 或指向当前对象的 const 引用。这不仅仅是一个约定俗成的习惯，更是满足关键的基本语言操作以及防范 C++ 中常见陷阱的必要条件。

• 支持链式赋值
  
  • 返回引用的一项目的是支持链式赋值。例如，STL 容器返回迭代器，以便将新值传递给程序的下一部分。链式赋值是指如 a = b = c 这样的表达式，只有当表达式 b = c 的输出应用于 a 时才能使用。
  • 换句话说，为了给赋值运算符添加此功能，它必须返回对赋值表达式左侧对象的引用。当运算符返回 *this 时，当前对象的引用会沿着链传递，从而使整个表达式能够被正确评估。
  • 如果赋值运算符不返回引用，则在链式赋值的情况下，赋值将无法按预期进行。操作将失败或产生不正确的行为，因为没有办法将链中多个赋值的结果关联起来。
• 与内置类型的保持一致
  
  • 在可能的情况下，内置类型会从赋值运算符返回引用，在重载运算符时复制相同的行为可以使代码整洁，并与 C++ 的其他部分保持一致。您的类的用户期望它像内置类型一样工作；因此，赋值运算符也应该有类似的操作。当您重载的赋值运算符返回引用（它应该这样做）时，它就可以满足这些期望，而不会令使用该类的用户感到意外。

• 这样做是因为 int 类型的赋值运算符会返回对赋值表达式左侧的引用。通过重载类的赋值运算符来尽可能地模仿这种行为，可以使其行为尽可能地可预测和直观。

• 安全处理自赋值
  
  • 自赋值发生在将一个对象赋给自己时，例如 a = a; 这种情况可能会导致资源使用或数据错误，如内存泄漏或损坏。在一个正确实现的赋值运算符中，应该检测到自赋值并进行处理，以避免这些问题。
  • 赋值运算符应返回 *this，因为这允许它包含一种方法来防止自赋值，并安全地处理它，以确保对象的连贯状态。
• 避免不必要的对象副本
  
  • 在 C++ 中重载赋值运算符时，有几个重要的考虑因素，其中之一是效率问题，更具体地说，是需要最小化对象副本的数量。在 C++ 中，如果您按值返回一个对象（例如，通过将其作为函数的值），则会创建一个对象的副本。虽然这种行为有时是有益的，但在重载赋值运算符时可能会产生不利影响。
  • 如果赋值是按值进行的，那么每次赋值都会涉及生成一个临时对象。对于大型对象或拥有动态内存、文件句柄、网络连接等资源的对象，这会增加大量开销，导致速度变慢和内存使用量增加。此外，在这种情况下，像指针这样的资源可能会引起深拷贝问题、内存泄漏以及在处理副本不当时的其他小问题。
  • 返回当前对象的引用 (*this) 也意味着不需要创建任何这些临时副本。它提供了一个返回对象引用的选项，以便可以直接操作对象而不是创建新对象，从而节省时间。特别是在性能高度敏感的应用程序中，底层细节往往很重要。

示例代码：不带引用的赋值运算符

输出

 
Hello 
Hello 
Hello    

示例代码：带引用的正确实现

输出

 
Hello 
Hello 
Hello     

结论

在 C++ 中，将赋值运算符重载为指向当前对象的引用 (*this) 在以下几个方面具有重要意义。首先，它支持链式赋值，这是大多数其他语言不支持的；像 a = b = c 这样的表达式是可能的，其中引用会沿着链传递，并且每次赋值都能得到正确的评估。其次，它们与内置类型保持一致，这意味着它们将以有序且预期的方式执行功能。第三，它使得所需的自赋值操作是安全的，而在没有它时，可能会导致内存损坏等问题。最后，返回引用不需要创建额外的对象副本，从而提高了程序的效率，尤其是在使用大型对象或管理动态内存等资源时。这种方法符合 C++ 的设计原则，并且在性能上是适用的，因为它避免了对象赋值相关的几个问题。