C++ Operator overloading.

C++ Operator overloading.

1.Introduction

C++ 에서는 사용자 정의 연산자를 사용할 수 있다. 무슨 연산자들이 가능하냐면, :: (범위 지정), . (멤버 지정), .* (멤버 포인터로 멤버 지정) 을 제외한 모든 연산자를 사용할 수 있다. +, -, * 는 물론이고, +=, -= 와 같은 축약형들이나 >=, ==, 와 같은 비교 연산자, && 와 같은 논리 연산자, -> 와 같은 멤버 선택 연산자, ++, -- 증감 연산자, [] 와 심지어 () 까지 (함수 호출 연산자) 도 모두 직접 만들 수 있다. 

기본 연산자들을 직접 사용자가 정의하는 것을 연산자를 오버로딩(overloading) 한다고 부른다. 이전에 같은 이름의 함수를 인자만 다르게 사용하는 것을 '함수를 오버로딩 했다' 라고 불렀던 것 처럼, 기본 연산자를 클래스에 맞게 직접 사용하는 것을 '연산자를 오버로딩 했다' 라고 부른다.

2.C++Operator overloading

일단 연산자 오버로딩을 사용하기 위해서는, 다음과 같이 오버로딩을 원하는 연산자 함수를 제작하면 된다.

(리턴 타입) operator(연산자) (연산자가 받는 인자)

cf)위 방법 외에는 함수 이름으로 연산자를 넣을 수 없다.== 를 오버로딩 하고 싶다면, == 연산자는 그 결과값이 언제나 bool 이고, 인자로는 == 로 비교하는 것 하나만 받게 된다. 따라서 다음과 같이 함수를 정의하면 된다.

bool operator== (MyString& str);

str1 == str2 라는 명령을 한다면, str1.operator==(str2) 로 내부적으로 변환되서 처리되고, 결과값을 리턴한다.operator== 를 만드는 것 자체는 어려운 일은 아니다. 왜냐하면 compare 라는 좋은 함수를 제공하고 있기 때문이다. 간단하게 만들어 보면 다음과 같습니다.

bool MyString::operator== (MyString& str)
{
	return !compare(str); // str 과 같으면 compare 에서 0 을 리턴.
}

!compare(str) 을 리턴하는 이유는 compare 함수에서 str 과 *this 가 같으면 0 을 리턴하도록 하는데, operator== 은 둘이 같으면 true 를 리턴 해야된다. 따라서 NOT 연산자인 ! 를 앞에 붙여서 리턴하면 올바르게 작동할 수 있다.

3.C++Complex number class

일단 실수의 제곱근에 대해서는 무엇인지 알 것이라 생각한다. 그런데 실수의 제곱은 언제나 양수이기 때문에 위와 같이 음수의 제곱근은 실수로 표현할 수 없게 된다. 즉, 음수의 제곱근을 나타내기 위해서 특별한 수를 정의하였는데 이를 허수(imaginary number) 이라 부르며, 실제로 존재하지 않는 수학적으로만 존재하는 수라고 볼 수 있다. 그리고 특히 -1 의 제곱근을 위의 수식 처럼 i 로 표기한다. 그리고 복소수는, 이 허수와 실수를 모두 포함하는 수 체계로, 허수와 실수의 합으로 표현할 수 있다.

만들고자 하는 것은 이 복소수를 나타내는 클래스를 구성하려고 한다. 임의의 복소수 하나를 표현하기 위해서 두 개의 값(실수부, 허수부)이 필요하기 때문에 반드시 클래스로 구현을 해야 한다. 따라서, 기본적으로 복소수 클래스 Complex 는 아래과 같이 만들 수 있다.

class Complex
{
private:
	double real, img;
public:
	Complex(double real, double img) : real(real), img(img) {}
};

복소수는 실수부와 허수부로 나뉘어지므로, Complex 클래스 역시 실수부의 값과 허수부의 값을 나타내는 real 과 img 변수가 있다. 

문제는 사칙 연산이 자주 쓰인다는 것이다. 문자열의 덧셈 (+연산) 까지는 생각할 수 있다 해도, 곱셈이나 나눗셈 연산 자체는 고려할 필요가 없는데, 복소수의 경우 당연히 클래스 인터페이스 차원에서 곱셈과 나눗셈을 지원해주어야만 한다. 

참고로, 복소수의 사칙 연산은 실수부와 허수부 따로 생각하여 진행된다. 

곱셈의 경우는 좀 더 복잡한데, 사실 분배법칙과 허수 둘을 곱하면 다시 -1 이 된다는 점만 생각하면 된다.

나눗셈의 경우, 이전에 무리수의 유리화를 하던 것을 생각하면 간단한다.

즉 분모를 실수화 할 수 있도록 분모의 켤레를 분자와 분모에 곱함으로써 실수로 나누는 것으로 쉽게 바꿀 수 있다. 

(실수로 나누는 것은 실수부,허수부의 실수값을 실수로 나누면 된다)

연산자의 오버로딩을 모른다고 가정하고 Complex 클래스를 구성하여 본다.

class Complex
{
private:
	double real, img;

public:
	Complex(double real, double img) : real(real), img(img) {}

	Complex plus(const Complex& c);
	Complex minus(const Complex& c);
	Complex times(const Complex& c);
	Complex divide(const Complex& c);
};

a + b/c + d;
a.plus(b.divide(c)).plus(d);

int형 변수였다면 간단하게 쓸 수 있었던 명령을 복잡한 함수식을 이용해서 표현해야만 한다. 가독성이 떨어지고 뭔 말인지 모른다. 하지만 연산자 오버로딩을 이용해서 plus 를 operator+ 로, divide 를 operator/ 로, 등 바꿔준다면 a + b/c + d; 쓴다고 해도, 

컴파일러가 a.operator+(b.operator/(c)).operator+(d); 로 알아서 변환시켜서 처리하기 때문에 뛰어난 가독성과 편리함을 얻을 수 있게 된다. 

즉 인자의 값이 함수 내부에서 바뀌지 않는 다고 확신할 때에는 반드시 const 키워드를 붙여야 한다.

4.C++Assignment operator function

Complex& operator=(const Complex& c);

대입 연산자 함수는, 기존의 사칙연산 연산자 함수와는 다르게, Complex& 타입을 리턴한다. 대입 연산자 자체의 의미를 생각해 볼 때 리턴값을

void 로 해도 무방하다. 이 때 Complex 타입을 리턴하지 않고 굳이 Complex& 타입을 리턴하냐면, 대입 연산 이후에 이 값을 가지고 다른 연산을 수행하지는 않기 때문이다. 예를 들어서 (i = 3) + 4 와 같은 명령을 내리지는 않기 때문이다. 그렇기에 값에 의한 복사가 발생하는 것 보다는 레퍼런스를 리턴하는 것이 더 올바른 판단이라고 본다. operator= 함수를 완성시켜 보면 아래와 같다.

Complex& Complex::operator=(const Complex &c)
{
	real = c.real; img = c.img;
	return *this;
}

사실 굳이 operator= 를 만들지 않더라도 컴파일은 된다. 즉 컴파일러 차원에서 디폴트 대입 연산자(default assignment operator)를 지원하고 있기 때문인데, 이전에 복사 생성자를 다룰 때 디폴트 복사 생성자가 있던 것과 같다. 디폴트 복사 생성자와 마찬가지로 디폴트 대입 연산자 역시 얕은 복사를 수행한다. 따라서, 깊은 복사가 필요한 클래스의 경우 (클래스 내부적으로 동적으로 할당되는 메모리를 관리하는 포인터가 있다던지) 대입 연산자 함수를 꼭 만들어주어야 할필요가 있다.

Some_Class a = b; //Q
Some_Class a; // W
a = b;

이제 두 문장의 차이를 알 수 있다.이전에 이야기 하였을 때 연산자 오버로딩을 배우지 못하였기 때문에 넘어갔지만 이제는 제대로 이해할 수 있다. Q의 경우, 아예 a 의 '복사 생성자' 가 호출되는 것이고, W의 경우 a 의 기본 생성자가 호출 된 다음, 다음 문장에서 대입 연산자 함수가 실행되는 것이다. 위 두 문장은 비록 비슷해 보이기는 해도 아예 다른 것이다. 5.C++ Complex numbers and additions as strings

operator+ 를 개량해서, 꼭 Complex 수를 더하는 것이 아니라, 문자열로도 덧셈을 할 수 있도록 operator+ 함수를 만드려 보려고 한다.

y = z + "3+i2";

이런 문장을 사용하면 성공적으로 처리할 수 있게 된다는 의미다.

(부호) (실수부) (부호) i (허수부)

즉 "2+i3" 은 Complex 수 (2 , 3) 을 나타낸 것이라 생각한다. 또한, "2-i3" 은 (2, -3 ) 을 나타낸 것이 된다. 만일 실수부나 허수부의 값이 0 이라면 굳이 안써주어도 되는데,예를 들어서 그냥 "3" 은 (3 , 0) 을 나타내며, "-5i" 는 (0, -5) 를 나타내게 된다.