面试题：C++运算符重载三种方式在实现复杂数据结构操作中的选择

运算符重载方式选择：
- 成员函数：
  - 适用于一元运算符（如 ++、--）和具有天然所有者关系的二元运算符。例如，对于矩阵类 Matrix，如果我们将矩阵加法 + 重载为成员函数，那么调用者（左操作数）就是矩阵对象本身。这种方式符合 “对象调用成员函数” 的自然逻辑，而且成员函数可以直接访问对象的私有成员。例如，对于矩阵的 += 运算符重载，将其定义为成员函数是很合适的，因为它是对调用者对象自身进行修改。
- 友元函数：
  - 当运算符的左操作数不是本类对象时，友元函数比较有用。比如，如果我们想实现矩阵与标量的乘法，如 Matrix operator*(double scalar, const Matrix& m)，标量 scalar 不能调用 Matrix 的成员函数（因为标量不是 Matrix 类型），此时将这个乘法运算符重载为友元函数可以解决这个问题。同时，友元函数也可以访问类的私有成员。
- 普通函数：
  - 普通函数不具有访问类私有成员的特权，除非类将其声明为友元。在实现一些不需要访问类私有成员的通用操作时，可以使用普通函数。例如，如果矩阵类有一个简单的打印函数 printMatrix(const Matrix& m)，这个函数不需要修改矩阵的私有数据，就可以定义为普通函数。
加法运算符重载的代码实现（假设矩阵存储在二维数组中）：

#include <iostream>
#include <vector>

class Matrix {
private:
    std::vector<std::vector<double>> data;
    int rows;
    int cols;

public:
    Matrix(int r, int c) : rows(r), cols(c) {
        data.resize(rows, std::vector<double>(cols, 0));
    }

    // 重载加法运算符为成员函数
    Matrix operator+(const Matrix& other) const {
        if (rows != other.rows || cols != other.cols) {
            throw std::invalid_argument("Matrices must have the same dimensions for addition.");
        }
        Matrix result(rows, cols);
        for (int i = 0; i < rows; ++i) {
            for (int j = 0; j < cols; ++j) {
                result.data[i][j] = data[i][j] + other.data[i][j];
            }
        }
        return result;
    }

    // 用于设置矩阵元素值
    void setElement(int i, int j, double value) {
        if (i >= 0 && i < rows && j >= 0 && j < cols) {
            data[i][j] = value;
        } else {
            throw std::out_of_range("Index out of range.");
        }
    }

    // 用于获取矩阵元素值
    double getElement(int i, int j) const {
        if (i >= 0 && i < rows && j >= 0 && j < cols) {
            return data[i][j];
        } else {
            throw std::out_of_range("Index out of range.");
        }
    }
};

int main() {
    Matrix m1(2, 2);
    Matrix m2(2, 2);

    m1.setElement(0, 0, 1.0);
    m1.setElement(0, 1, 2.0);
    m1.setElement(1, 0, 3.0);
    m1.setElement(1, 1, 4.0);

    m2.setElement(0, 0, 5.0);
    m2.setElement(0, 1, 6.0);
    m2.setElement(1, 0, 7.0);
    m2.setElement(1, 1, 8.0);

    Matrix sum = m1 + m2;

    for (int i = 0; i < 2; ++i) {
        for (int j = 0; j < 2; ++j) {
            std::cout << sum.getElement(i, j) << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    return 0;
}

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