面试题：C++运算符重载三种方式性能比较之基础考察

Question

请简述C++中运算符重载的三种方式（成员函数重载、友元函数重载、普通函数重载），并简单说明它们在性能上可能存在差异的原因。

Answer 1

成员函数重载

• 定义方式：将运算符重载函数定义为类的成员函数，其第一个参数（隐含的this指针所指对象）是运算符左侧的对象，其他参数为右侧对象。例如：

class Complex {
public:
    Complex(double real, double imag) : m_real(real), m_imag(imag) {}
    Complex operator+(const Complex& other) {
        return Complex(m_real + other.m_real, m_imag + other.m_imag);
    }
private:
    double m_real;
    double m_imag;
};

• 性能特点：由于成员函数可以直接访问类的私有成员，在访问权限上较为直接高效。而且编译器在调用成员函数时，可以进行内联优化等常规优化，性能通常较好。

友元函数重载

• 定义方式：在类中声明友元函数来重载运算符，友元函数不是类的成员，但可以访问类的私有成员。例如：

class Complex {
public:
    Complex(double real, double imag) : m_real(real), m_imag(imag) {}
    friend Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b);
private:
    double m_real;
    double m_imag;
};
Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b) {
    return Complex(a.m_real + b.m_real, a.m_imag + b.m_imag);
}

• 性能特点：同样可以直接访问类的私有成员。由于友元函数与类的耦合度相对较低，编译器在某些情况下可能无法像对成员函数那样进行深度优化，不过实际性能差异通常不大。

普通函数重载

• 定义方式：将运算符重载函数定义为普通的全局函数，不属于任何类。为了访问类的私有成员，需要类提供相应的接口。例如：

class Complex {
public:
    Complex(double real, double imag) : m_real(real), m_imag(imag) {}
    double getReal() const { return m_real; }
    double getImag() const { return m_imag; }
private:
    double m_real;
    double m_imag;
};
Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b) {
    return Complex(a.getReal() + b.getReal(), a.getImag() + b.getImag());
}

• 性能特点：由于不能直接访问类的私有成员，需要通过类提供的接口来获取数据，这可能会带来一些额外的开销。相比成员函数和友元函数，在频繁访问类数据成员时，性能可能会稍差。

性能差异原因总结

1. 访问权限与优化：成员函数和友元函数能直接访问类的私有成员，编译器可以针对这种直接访问进行更有效的优化，如内联优化。而普通函数需要通过接口访问数据，编译器的优化空间相对受限。
2. 函数调用开销：成员函数调用时，this指针的传递方式相对高效，且编译器熟悉类的结构，可做更多优化。普通函数调用时参数传递和函数查找的开销相对略高，虽然现代编译器在优化上已经很强大，但在极端情况下这种差异可能会体现出来。