第八讲 索引器与操作符重载
南京邮电学院 李建忠（cornyfield@263.net）
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索引器
索引器(Indexer)是C#引入的一个新型的类成员，它使得对象可以像数组那样被方便，直观的引用。索引器非常类似于我们前面讲到的属性，但索引器可以有参数列表，且只能作用在实例对象上，而不能在类上直接作用。下面是典型的索引器的设计，我们在这里忽略了具体的实现。
class MyClass
{
public object this [int index]
{
get
{
// 取数据
}
set
{
// 存数据
}
}
}
索引器没有像属性和方法那样的名字，关键字this清楚地表达了索引器引用对象的特征。和属性一样，value关键字在set后的语句块里有参数传递意义。实际上从编译后的IL中间语言代码来看，上面这个索引器被实现为：
class MyClass
{
public object get_Item(int index)
{
// 取数据
}
public void set_Item(int index, object value)
{
//存数据
}
}
由于我们的索引器在背后被编译成get_Item(int index)和set_Item(int index, object value)两个方法，我们甚至不能再在声明实现索引器的类里面声明实现这两个方法，编译器会对这样的行为报错。这样隐含实现的方法同样可以被我们进行调用，继承等操作，和我们自己实现的方法别无二致。通晓C#语言底层的编译实现为我们下面理解C#索引器的行为提供了一个很好的基础。
和方法一样，索引器有5种存取保护级别，和4种继承行为修饰，以及外部索引器。这些行为同方法没有任何差别，这里不再赘述。唯一不同的是索引器不能为静态（static），这在对象引用的语义下很容易理解。值得注意的是在覆盖（override）实现索引器时，应该用base[E]来存取父类的索引器。
和属性的实现一样，索引器的数据类型同时为get语句块的返回类型和set语句块中value关键字的类型。
索引器的参数列表也是值得注意的地方。“索引”的特征使得索引器必须具备至少一个参数，该参数位于this关键字之后的中括号内。索引器的参数也只能是传值类型，不可以有ref（引用)和out（输出）修饰。参数的数据类型可以是C#中的任何数据类型。C#根据不同的参数签名来进行索引器的多态辨析。中括号内的所有参数在get和set下都可以引用，而value关键字只能在set下作为传递参数。
下面是一个索引器的具体的应用例子，它对我们理解索引器的设计和应用很有帮助。
using System;
class BitArray
{
int[] bits;
int length;
public BitArray(int length)
{
if (length < 0)
throw new ArgumentException();
bits = new int[((length - 1) >> 5) + 1];
this.length = length;
}
public int Length
{
get { return length; }
}
public bool this[int index]
{
get
{
if (index < 0 || index >= length)
throw new IndexOutOfRangeException();
else
return (bits[index >> 5] & 1 << index) != 0;
}
set
{
if (index < 0 || index >= length)
throw new IndexOutOfRangeException();
else if(value)
bits[index >> 5] |= 1 << index;
else
bits[index >> 5] &= ~(1 << index);
}
}
}
class Test
{
static void Main()
{
BitArray Bits=new BitArray(10);
for(int i=0;i<10;i++)
Bits[i]=(i%2)==0;
Console.Write(Bits[i]+" ");
}
}
编译并运行程序可以得到下面的输出：
- True False True False True False True False True False
上面的程序通过索引器的使用为用户提供了一个界面友好的bool数组，同时又大大降低了程序的存储空间代价。索引器通常用于对象容器中为其内的对象提供友好的存取界面--这也是为什么C#将方法包装成索引器的原因所在。实际上，我们可以看到索引器在.NET Framework类库中有大量的应用。
操作符重载
操作符是C#中用于定义类的实例对象间表达式操作的一种成员。和索引器类似，操作符仍然是对方法实现的一种逻辑界面抽象，也就是说在编译成的IL中间语言代码中，操作符仍然是以方法的形式调用的。在类内定义操作符成员又叫操作符重载。C#中的重载操作符共有三种：一元操作符，二元操作符和转换操作符。并不是所有的操作符都可以重载，三种操作符都有相应的可重载操作符集,列于下表：
- 一元操作符 + - ! ~ ++ -- true false
二元操作符 + - * / % & | ^ << >> == != > < >= <=
转换操作符 隐式转换()和显式转换()
重载操作符必须是public和static 修饰的，否则会引起编译错误，这在操作符的逻辑语义下是不言而喻的。父类的重载操作符会被子类继承，但这种继承没有覆盖，隐藏，抽象等行为，不能对重载操作符进行virtual sealed override abstract修饰。操作符的参数必须为传值参数。我们下面来看一个具体的例子：
using System;
class Complex
{
double r, v; //r+ v i
public Complex(double r, double v)
{
this.r=r;
this.v=v;
}
public static Complex operator +(Complex a, Complex b)
{
return new Complex(a.r+b.r, a.v+b.v);
}
public static Complex operator -(Complex a)
{
return new Complex(-a.r,-a.v);
}
public static Complex operator ++(Complex a)
{
double r=a.r+1;
double v=a.v+1;
return new Complex(r, v);
}
public void Print()
{
Console.Write(r+" + "+v+"i");
}
}
class Test
{
public static void Main()
{
Complex a=new Complex(3,4);
Complex b=new Complex(5,6);
Complex c=-a;
c.Print();
Complex d=a+b;
d.Print();
a.Print();
Complex e=a++;
a.Print();
e.Print();
Complex f=++a;
a.Print();
f.Print();
}
}
编译程序并运行可得到下面的输出：
- -3 + -4i 8 + 10i 3 + 4i 4 + 5i 3 + 4i 5 + 6i 5 + 6i
我们这里实现了一个“+”号二元操作符，一个“-”号一元操作符（取负值），和一个“++”一元操作符。注意这里，我们都没有对传进来的参数作任何改变--这在参数是引用类型的变量是尤其重要，虽然重载操作符的参数只能是传值方式。而我们在返回值时，往往需要“new”一个新的变量--除了true和false操作符。这在重载“++”和“--” 操作符时尤其显得重要。也就是说我们做在a++时，我们将丢弃原来的a值，而取代的是新的new出来的值给a! 值得注意的是e=a++或f=++a中e的值或f的值根本与我们重载的操作符返回值没有一点联系！它们的值仅仅是在前置和后置的情况下获得a的旧值或新值而已！前置和后置的行为不难理解。
操作符重载对返回值和参数类型有着相当严格的要求。一元操作符中只有一个参数。操作符“++”和“--”返回值类型和参数类型必须和声明该操作符的类型一样。操作符“+ - ! ~”的参数类型必须和声明该操作符的类型一样，返回值类型可以任意。true和false操作符的参数类型必须和声明该操作符的类型一样，而返回值类型必须为bool，而且必须配对出现--也就是说只声明其中一个是不对的，会引起编译错误。参数类型的不同会导致同名的操作符的重载--实际上这是方法重载的表现。
二元操作符参数必须为两个，而且两个必须至少有一个的参数类型为声明该操作符的类型。返回值类型可以任意。有三对操作符也需要必须配对声明出现，它们是“==”和“!=”，“>”和“<”，“>=”和“<=”。需要注意的是两个参数的类型不同，虽然类型相同但顺序不同都会导致同名的操作符的重载。
转换操作符为不同类型之间提供隐式转换和显式转换，主要用于方法调用，转型表达和赋值操作。转换操作符对其参数类型（被转换类型）和返回值类型（转换类型）也有严格的要求。参数类型和返回值类型不能相同，且两者之间必须至少有一个和定义操作符的类型相同。转换操作符必须定义在被转换类型或转换类型任何其中一个里面。不能对系统定义过的转换操作进行重新定义。两个类型也都不能是object或接口类型，两者之间不能有直接或间接的继承关系--这三种情况系统已经默认转换。我们来看一个例子：
using System;
public struct Digit
{
byte value;
public Digit(byte value)
{
if (value < 0 || value > 9)
throw new ArgumentException();
this.value = value;
}
public static implicit operator byte(Digit d)
{
return d.value;
}
public static explicit operator Digit(byte b)
{
return new Digit(b);
}
}
上面的例子提供了Digit类型和byte类型之间的隐式转换和显式转换。从Digit到byte的转换为隐式转换，转换过程不会因为丢失任何信息而抛出异常。从byte到Digit的转换为显式转换，转换过程有可能因丢失信息而抛出异常。实际上这也为我们揭示了什么时候声明隐式转换，什么时候声明显示转换的设计原则。不能对同一参数类型同时声明隐式转换和显式转换。隐式转换和显式转换无需配对使用--虽然C#推荐这样做。
实际上可以看到，对于属性，索引器和操作符这些C#提供给我们的界面操作，都是方法的某种形式的逻辑抽象包装，它旨在为我们定义的类型的用户提供一个友好易用的界面--我们完全可以通过方法来实现它们实现的功能。理解了这样的设计初衷，我们才会恰当，正确地用好这些操作，而不致导致滥用和错用。
