C++中不允许重载的五个运算符解析

1. 成员访问运算符 .

1.1 运算符简介

在 C++ 中，成员访问运算符 . 用于访问类、结构体或联合体的成员。例如，假设有一个类 MyClass 包含一个成员变量 data 和一个成员函数 printData，当我们创建 MyClass 的对象 obj 时，就可以使用 . 运算符来访问这些成员：

class MyClass {
public:
    int data;
    void printData() {
        std::cout << "Data: " << data << std::endl;
    }
};

int main() {
    MyClass obj;
    obj.data = 10;
    obj.printData();
    return 0;
}

1.2 为何不能重载

成员访问运算符 . 的语义具有明确且不可替代的含义。它直接关联到对象和其成员的关系，这种关系是 C++ 面向对象编程的基础。如果允许重载 . 运算符，将会彻底改变 C++ 面向对象编程中对象与成员访问的基本逻辑，使得代码的可读性和可维护性急剧下降。例如，假设 . 运算符可以重载，程序员可能会定义出类似 obj.strangeOperation() 这样的代码，表面上像是在访问 obj 的成员函数，但实际上 strangeOperation 可能与对象成员毫无关系，这会让其他阅读代码的人感到困惑，违背了运算符重载应保持一定直观性和语义一致性的原则。

此外，编译器在处理 . 运算符时，依赖于其固定的语法规则来解析对象成员访问。若允许重载，编译器的语法解析规则将变得异常复杂，因为它需要在不同的上下文中去判断 . 运算符的具体含义，这在编译器设计层面也是极不现实的。

2. 成员指针访问运算符 .*

2.1 运算符简介

成员指针访问运算符 .* 用于通过对象指针访问类的成员，这些成员是通过成员指针来指定的。例如，假设有一个类 AnotherClass，我们可以这样使用 .* 运算符：

class AnotherClass {
public:
    int value;
    void display() {
        std::cout << "Value is: " << value << std::endl;
    }
};

int main() {
    AnotherClass obj;
    obj.value = 20;
    int AnotherClass::*memberPtr = &AnotherClass::value;
    void (AnotherClass::*funcPtr)() = &AnotherClass::display;
    std::cout << "Value using member pointer: " << (obj.*memberPtr) << std::endl;
    (obj.*funcPtr)();
    return 0;
}

在上述代码中，memberPtr 是指向 AnotherClass 类中 value 成员变量的指针，funcPtr 是指向 display 成员函数的指针。通过 obj.*memberPtr 和 obj.*funcPtr 来访问对应的成员。

2.2 为何不能重载

.* 运算符的作用紧密围绕着类的成员指针和对象之间的关系。它的语义与类的成员访问和指针的间接访问紧密结合，是一种特定于 C++ 面向对象编程的指针访问机制。重载 .* 运算符同样会破坏这种特定机制的明确性和一致性。

与 . 运算符类似，.* 运算符的语法结构和语义在编译器中是被硬编码的。编译器通过特定的规则来解析 .* 运算符，以确保正确地访问对象的成员指针所指向的成员。如果允许重载，编译器将难以区分哪些是正常的基于成员指针的访问，哪些是重载后的自定义行为，这会给编译过程带来极大的不确定性和复杂性。

此外，从代码可读性和可维护性角度看，重载 .* 运算符可能会导致代码变得晦涩难懂。因为 .* 运算符本身就用于特定的成员指针访问场景，若其行为被随意改变，开发人员很难直观地理解代码的意图，增加了代码维护的难度。

3. 作用域解析运算符 ::

3.1 运算符简介

作用域解析运算符 :: 在 C++ 中有多种用途。它可以用于访问全局作用域中的变量或函数，当局部作用域中有同名标识符时，通过 :: 可以明确访问到全局的变量或函数。例如：

int globalVar = 100;

void globalFunction() {
    std::cout << "This is a global function" << std::endl;
}

int main() {
    int globalVar = 20;
    ::globalFunction();
    std::cout << "Global variable from global scope: " << ::globalVar << std::endl;
    std::cout << "Local variable: " << globalVar << std::endl;
    return 0;
}

在上述代码中，::globalFunction() 调用了全局作用域中的 globalFunction，::globalVar 访问了全局作用域中的 globalVar，尽管在 main 函数中有同名的局部变量。

:: 运算符还用于访问类的静态成员，例如：

class StaticClass {
public:
    static int staticValue;
    static void staticFunction() {
        std::cout << "This is a static function" << std::endl;
    }
};

int StaticClass::staticValue = 50;

int main() {
    std::cout << "Static value: " << StaticClass::staticValue << std::endl;
    StaticClass::staticFunction();
    return 0;
}

这里通过 StaticClass::staticValue 和 StaticClass::staticFunction() 访问了 StaticClass 类的静态成员。

3.2 为何不能重载

作用域解析运算符 :: 的主要功能是明确限定标识符的作用域，它在 C++ 的命名空间和作用域管理机制中扮演着基石的角色。其语义具有高度的确定性和唯一性，是编译器进行名称查找和作用域解析的重要依据。

如果允许重载 :: 运算符，将严重破坏 C++ 的作用域管理体系。编译器在解析代码中的标识符时，依赖于 :: 运算符的固定语义来确定名称的作用域范围。重载后，编译器无法按照既定规则准确地判断某个标识符属于哪个作用域，这会导致大量的编译错误和不可预测的行为。

从编程习惯和代码理解的角度来看，:: 运算符的固定语义使得代码的作用域关系一目了然。开发人员能够清晰地知道通过 :: 所访问的标识符来自哪个作用域。若 :: 运算符可重载，代码的这种直观性将荡然无存，开发人员需要花费更多精力去理解代码中标识符的实际作用域，大大增加了代码阅读和维护的难度。

4. 条件运算符 ?:

4.1 运算符简介

条件运算符 ?: 是 C++ 中唯一的三元运算符，其语法形式为 condition? expression1 : expression2。它的作用是根据 condition 的真假来决定执行 expression1 还是 expression2。例如：

int a = 10;
int b = 20;
int max = a > b? a : b;
std::cout << "The maximum value is: " << max << std::endl;

在上述代码中，a > b 是条件，若该条件为真，max 将被赋值为 a，否则赋值为 b。

4.2 为何不能重载

条件运算符 ?: 的语法结构和求值逻辑是 C++ 语言规范中明确且独特的。它的设计初衷是提供一种简洁的条件判断和值选择的方式，其语义和行为在整个 C++ 语言体系中具有一致性和连贯性。

重载 ?: 运算符会破坏这种简洁性和一致性。由于 ?: 运算符的三元结构在语法上是固定的，重载后很难保证其与原有语法的兼容性。例如，正常的 ?: 运算符要求 expression1 和 expression2 的类型在一定程度上要兼容，以便能够正确地进行值选择。若重载，如何在保持原有语法结构的前提下重新定义这种类型兼容性规则将是一个巨大的挑战，很可能导致语法混乱和难以预测的类型错误。

此外，?: 运算符在编译器层面有特定的优化机制。编译器可以根据 ?: 运算符的固定语义对代码进行优化，例如在某些情况下可以避免不必要的计算。如果允许重载，编译器将无法再依赖这些固定的优化策略，因为重载后的 ?: 运算符可能具有完全不同的语义和求值逻辑，这会降低编译器的优化能力，影响程序的性能。

5. sizeof 运算符

5.1 运算符简介

sizeof 运算符用于获取一个数据类型或变量所占用的字节数。它是一个编译时运算符，其结果在编译阶段就已经确定。例如：

int num;
std::cout << "Size of int: " << sizeof(int) << " bytes" << std::endl;
std::cout << "Size of num variable: " << sizeof(num) << " bytes" << std::endl;

struct MyStruct {
    int a;
    char b;
};
std::cout << "Size of MyStruct: " << sizeof(MyStruct) << " bytes" << std::endl;

在上述代码中，sizeof(int) 获取 int 类型的大小，sizeof(num) 获取 num 变量（int 类型）的大小，sizeof(MyStruct) 获取 MyStruct 结构体的大小。

5.2 为何不能重载

sizeof 运算符的功能是基于编译时对数据类型的了解来确定其大小。它是 C++ 编译器内部机制的一部分，与运行时的对象状态和行为无关。其结果完全依赖于编译器对数据类型的布局和对齐规则的认知。

重载 sizeof 运算符是不现实的，因为这会违背其编译时求值的特性。如果允许重载，意味着 sizeof 的行为可能在运行时发生变化，这与它原本的设计初衷相矛盾。编译器在编译阶段需要根据 sizeof 的固定语义来进行内存分配和代码生成等操作，如果 sizeof 可以被重载，编译器将无法在编译时准确地进行这些操作，导致编译错误和程序运行时的不确定性。

另外，sizeof 运算符的语义在整个 C++ 标准库和语言特性中是被广泛依赖的。例如，在动态内存分配（如 new 和 delete 操作符）、数组的定义和初始化等场景中，sizeof 的固定语义保证了这些操作的正确性和一致性。若 sizeof 可重载，这些依赖 sizeof 固定语义的代码将无法正常工作，整个 C++ 生态系统的稳定性将受到严重影响。