面试题：C++流运算符重载性能优化之基础实现

Question

请描述在C++中，如何重载流输出运算符`<<`和流输入运算符`>>`，并简要说明在重载过程中，从性能角度考虑，有哪些基础的优化点，比如对象传递方式的选择等。请写出一个简单的类的流运算符重载示例代码，并在代码中体现至少一处性能优化措施。

Answer 1

重载流输出运算符 << 和流输入运算符 >> 的方法

1. 重载流输出运算符 <<：
   • 通常将其定义为非成员函数（因为成员函数的第一个参数是 this，不符合流输出运算符的使用习惯），为了访问类的私有成员，可以将其声明为友元函数。
   • 函数原型一般为 ostream& operator<<(ostream& os, const ClassType& obj)，其中 os 是输出流对象，obj 是要输出的对象。返回 ostream& 以便支持链式调用。
2. 重载流输入运算符 >>：
   • 同样定义为非成员函数，也常声明为友元函数以便访问类的私有成员。
   • 函数原型一般为 istream& operator>>(istream& is, ClassType& obj)，其中 is 是输入流对象，obj 是要输入数据的对象。返回 istream& 以便支持链式调用。

性能优化点

1. 对象传递方式：
   • 在重载 << 运算符时，对于要输出的对象，使用 const & 传递，避免对象的拷贝，提高性能。例如在 ostream& operator<<(ostream& os, const ClassType& obj) 中，obj 使用 const & 传递。
   • 在重载 >> 运算符时，对于要输入数据的对象，使用 & 传递，因为要修改对象内容，同样避免不必要的拷贝。例如在 istream& operator>>(istream& is, ClassType& obj) 中，obj 使用 & 传递。
2. 减少不必要的操作：在输入输出操作中，尽量减少复杂的计算和不必要的函数调用，只进行必要的数据读取和写入。

示例代码

#include <iostream>
#include <string>

class Person {
private:
    std::string name;
    int age;

public:
    Person(const std::string& n, int a) : name(n), age(a) {}

    // 重载流输出运算符 <<
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Person& p) {
        // 性能优化：使用 const & 传递对象，避免拷贝
        os << "Name: " << p.name << ", Age: " << p.age;
        return os;
    }

    // 重载流输入运算符 >>
    friend std::istream& operator>>(std::istream& is, Person& p) {
        // 性能优化：使用 & 传递对象，避免拷贝
        is >> p.name >> p.age;
        return is;
    }
};

int main() {
    Person p("", 0);
    std::cout << "请输入姓名和年龄: ";
    std::cin >> p;
    std::cout << "输入的信息: " << p << std::endl;
    return 0;
}

在上述代码中，operator<< 函数通过 const & 传递 Person 对象 p，避免了对象拷贝，体现了性能优化措施。operator>> 函数通过 & 传递 Person 对象 p，因为要修改对象内容，也避免了不必要的拷贝。