C++ 輸入輸出運算符重載 感想

在C++中，經常會對輸入輸出運算符進行重載，而在重載的時候用到了友元（Friends）和引用返回（Returning References），這裏對爲什麼會這麼用發表一些思考。
比如，下面的類是一個簡單的Student類，其中重載了<<和>>。

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// Created by lgl on 17-3-14.
//
#include <iostream>
#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;

class Student{
    string name;
    int age;
    string country;

public:
    Student(){}
    Student(string name, int age, string country){
        this->name = name;
        this->age = age;
        this->country = country;
    }

    friend ostream &operator << (ostream &os, const Student &stu){
        os << "Name: " << stu.name <<
                "; Age: " << stu.age << "; Country: " << stu.country << ".";
        return os;
    }

    friend istream &operator >> (istream &is, Student &stu){
        is >> stu.name >> stu.age >> stu.country;
        return is;
    }
};

int main()
{
    Student s("xiaoMing", 15, "China");
    Student t;
    cin >> t;
    cout << s << endl;
    cout << t << endl;
    return 0;
}

運行：

輸入：
xiaoQiang 78 Earth
輸出：
Name: xiaoMing; Age: 15; Country: China.
Name: xiaoQiang; Age: 78; Country: Earth.

返回引用

先說一下爲什麼會返回引用。
當函數返回引用類型時，沒有複製返回值，返回的是對象本身，比如：

const string &shorterString(const string &s1,const string &s2)
{
    return s1.size() < s2.size() ? s1 : s2;
}

這裏參數s1和s2均沒有發生拷貝，直接傳遞了引用，而在返回的時候，也直接返回了較短的字符串的引用，整個過程中都沒有發生字符串的拷貝，節省了資源，比較高效。
所以對於返回引用，要求必須在函數的參數中，包含有以引用方式或指針方式存在的，需要被返回的參數。如果兩個參數都不是引用，則兩個參數實際上都是放在函數棧裏的局部變量，返回他們的引用類型會造成不可預知的錯誤（因爲函數結束運行時，棧地址被回收了，此時這些地址上的數據可以被其他量覆蓋，再次使用這些地址上的數據，已經不是原來的那個值了。）
比如：

int &smallInt(int a, int b)
{
    return a < b ? a : b;
}

編譯時會發出警告警告：函數可能返回局部變量的地址 [-Wreturn-local-addr] return a < b ? a : b;。（但是如果形參是string則不會發出警告，原因應該是string屬於字符串常量，儲存在只讀數據段，return str只是返回了該字符串在只讀數據段所在的首地址，當函數退出後，該字符串所在的內存不會被回收，所以是正常的。）
關於這些解釋的驗證，詳情見附1。
關於返回值的問題，具體可以參看函數中局部變量的返回這篇文章，通過幾個例子會對返回值和返回引用有更深的理解。
最後，我們再看ostream &operator <<其實就是在返回ostream的引用，所以形參用的也是ostream的引用ostream & os，而之所以用引用是因爲如果不使用引用返回，我們就只能使用值返回，值返回需要複製返回的對象，但是我們無法直接複製一個ostream對象（C++ Primer, 5th Edition, p494），所以不能使用值返回，只能使用引用返回。當然，也可以認爲<<操作的結果是一個可以遞進操作的左值，比如(cout << "haha") << "hehe"，如果是臨時對象，就不會有遞進操作的能力。

友元

那麼爲什麼要使用友元呢。因爲>>和<<的前置對象是cin和cout，不是Student類，所以不能把輸入輸出操作符設計成Student的類成員，而只能設計成普通函數。但是我們又想讓IO運算符讀寫Student類的非公有數據成員，因此自然用到了友元。

通過上面的介紹，我們也就可以記住：重載輸入輸出運算符需要返回引用，因此參數也只能是引用。同時需要將函數定義爲友元。理解了這些特徵，就很容易寫出重載函數了。

附1

#include <iostream>

using namespace std;

string &smallString(string a, string b)
{
    return a.size() < b.size() ? a : b;
}

int &smallInt(int a, int b)
{
    return a < b ? a : b;
}

int main()
{
    int &d = smallInt(3, 5);
    string &s = smallString("xixi", "hahaha");
    cout << d << endl;
    cout << s << endl;
    return 0;
}

函數運行結果爲:

32744
xixi

再次運行爲：

32598
xixi

很明顯int的值在不停變動。如果我們再增添一個函數doNothing，並在調用smallInt之後進行調用：

#include <iostream>

using namespace std;

string &smallString(string a, string b)
{
    return a.size() < b.size() ? a : b;
}

int &smallInt(int a, int b)
{
    return a < b ? a : b;
}

void doNothing(int a, int b)
{
    a < b ? a : b;
}

int main()
{
    int &d = smallInt(3, 5);
    string &s = smallString("xixi", "hahaha");
    doNothing(44, 55);
    cout << d << endl;
    cout << s << endl;
    return 0;
}

則程序穩定輸出：

44
xixi

即：原來屬於3的地址，現在被填上了44。smallInt函數只返回了3所在的地址，後來在調用doNothing的時候，這個地址的內容被44覆蓋了，那麼輸出d的時候，自然就是44。
這很符合之前關於返回引用部分的解釋。