C#銳利體驗之第八講 索引器與操作符重載

索引

索引器

索引器(Indexer)是C#引入的一個新型的類成員，它使得對象可以像數組那樣被方便，直觀的引用。索引器非常類似於我們前面講到的屬性，但索引器可以有參數列表，且只能作用在執行個體對象上，而不能在類上直接作用。下面是典型的索引器的設計，我們在這裡忽略了具體的實現。

class MyClass{    public object this [int index]    {        get        {            // 取資料        }        set         {            // 存資料        }    }}
索引器沒有像屬性和方法那樣的名字，關鍵字this清楚地表達了索引器引用對象的特徵。和屬性一樣，value關鍵字在set後的語句塊裡有參數傳遞意義。實際上從編譯後的IL中繼語言代碼來看，上面這個索引器被實現為：

class MyClass{    public object get_Item(int index)    {          // 取資料    }    public void set_Item(int index, object value) {//存資料    }}
由於我們的索引器在背後被編譯成get_Item(int index)和set_Item(int index, object value)兩個方法，我們甚至不能再在聲明實現索引器的類裡面聲明實現這兩個方法，編譯器會對這樣的行為報錯。這樣隱含實現的方法同樣可以被我們進行調用，繼承等操作，和我們自己實現的方法別無二致。通曉C#語言底層的編譯實現為我們下面理解C#索引器的行為提供了一個很好的基礎。

和方法一樣，索引器有5種存取保護層級，和4種繼承行為修飾，以及外部索引器。這些行為同方法沒有任何差別，這裡不再贅述。唯一不同的是索引器不能為靜態（static），這在對象引用的語義下很容易理解。值得注意的是在覆蓋（override）實現索引器時，應該用base[E]來存取父類的索引器。

和屬性的實現一樣，索引器的資料類型同時為get語句塊的傳回型別和set語句塊中value關鍵字的類型。

索引器的參數列表也是值得注意的地方。“索引”的特徵使得索引器必須具備至少一個參數，該參數位於this關鍵字之後的中括弧內。索引器的參數也只能是傳實值型別，不可以有ref（引用)和out（輸出）修飾。參數的資料類型可以是C#中的任何資料類型。C#根據不同的參數簽名來進行索引器的多態辨析。中括弧內的所有參數在get和set下都可以引用，而value關鍵字只能在set下作為傳遞參數。

下面是一個索引器的具體的應用例子，它對我們理解索引器的設計和應用很有協助。

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();elsereturn (bits[index >> 5] & 1 << index) != 0;}set{if (index < 0 || index >= length)throw new IndexOutOfRangeException();else if(value) bits[index >> 5] |= 1 << index;elsebits[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]+"  ");}}
編譯並運行程式可以得到下面的輸出：

True False True False True False True False True False
上面的程式通過索引器的使用為使用者提供了一個介面友好的bool數組，同時又大大降低了程式的儲存空間代價。索引器通常用於對象容器中為其內的對象提供友好的存取介面--這也是為什麼C#將方法封裝成索引器的原因所在。實際上，我們可以看到索引器在.NET Framework類庫中有大量的應用。

操作符重載

操作符是C#中用於定義類的執行個體對象間運算式操作的一種成員。和索引器類似，操作符仍然是對方法實現的一種邏輯介面抽象，也就是說在編譯成的IL中繼語言代碼中，操作符仍然是以方法的形式調用的。在類內定義操作符成員又叫操作符重載。C#中的重載操作符共有三種：一元操作符，二元操作符和轉換操作符。並不是所有的操作符都可以重載，三種操作符都有相應的可重載操作符集,列於下表：

一元操作符+ - ! ~ ++ -- true false
二元操作符+ - * / % & | ^ << >> == != > < >= <=
轉換操作符隱式轉換()和顯式轉換()
重載操作符必須是public和static 修飾的，否則會引起編譯錯誤，這在操作符的邏輯語義下是不言而喻的。父類的重載操作符會被子類繼承，但這種繼承沒有覆蓋，隱藏，抽象等行為，不能對重載操作符進行virtual sealed override abstract修飾。操作符的參數必須為傳值參數。我們下面來看一個具體的例子：

using System;class Complex{double  r, v;  //r+ v ipublic 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();}}
編譯器並運行可得到下面的輸出：

-3 + -4i 8 + 10i 3 + 4i 4 + 5i 3 + 4i 5 + 6i 5 + 6i
我們這裡實現了一個“+”號二元操作符，一個“-”號一元操作符（取負值），和一個“++”一元操作符。注意這裡，我們都沒有對傳進來的參數作任何改變--這在參數是參考型別的變數是尤其重要，雖然重載操作符的參數只能是傳值方式。而我們在傳回值時，往往需要“new”一個新的變數--除了true和false操作符。這在重載“++”和“--” 操作符時尤其顯得重要。也就是說我們做在a++時，我們將丟棄原來的a值，而取代的是新的new出來的值給a! 值得注意的是e=a++或f=++a中e的值或f的值根本與我們重載的操作符傳回值沒有一點聯絡！它們的值僅僅是在前置和後置的情況下獲得a的舊值或新值而已！前置和後置的行為不難理解。

操作符重載對傳回值和參數類型有著相當嚴格的要求。一元操作符中只有一個參數。操作符“++”和“--”傳回值類型和參數類型必須和聲明該操作符的類型一樣。操作符“+ - ! ~”的參數類型必須和聲明該操作符的類型一樣，傳回值類型可以任意。true和false操作符的參數類型必須和聲明該操作符的類型一樣，而傳回值類型必須為bool，而且必須配對出現--也就是說只聲明其中一個是不對的，會引起編譯錯誤。參數類型的不同會導致同名的操作符的重載--實際上這是方法重載的表現。

二元操作符參數必須為兩個，而且兩個必須至少有一個的參數類型為聲明該操作符的類型。傳回值類型可以任意。有三對操作符也需要必須配對聲明出現，它們是“==”和“!=”，“>”和“<”，“>=”和“<=”。需要注意的是兩個參數的類型不同，雖然類型相同但順序不同都會導致同名的操作符的重載。

轉換操作符為不同類型之間提供隱式轉換和顯式轉換，主要用於方法調用，轉型表達和賦值操作。轉換操作符對其參數類型（被轉換類型）和傳回值類型（轉換類型）也有嚴格的要求。參數類型和傳回值類型不能相同，且兩者之間必須至少有一個和定義操作符的類型相同。轉換操作符必須定義在被轉換類型或轉換類型任何其中一個裡面。不能對系統定義過的轉換操作進行重新定義。兩個類型也都不能是object或介面類型，兩者之間不能有直接或間接的繼承關係--這三種情況系統已經預設轉換。我們來看一個例子：

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類型和byte類型之間的隱式轉換和顯式轉換。從Digit到byte的轉換為隱式轉換，轉換過程不會因為丟失任何資訊而拋出異常。從byte到Digit的轉換為顯式轉換，轉換過程有可能因丟失資訊而拋出異常。實際上這也為我們揭示了什麼時候聲明隱式轉換，什麼時候聲明顯示轉換的設計原則。不能對同一參數類型同時聲明隱式轉換和顯式轉換。隱式轉換和顯式轉換無需配對使用--雖然C#推薦這樣做。

實際上可以看到，對於屬性，索引器和操作符這些C#提供給我們的介面操作，都是方法的某種形式的邏輯抽象封裝，它旨在為我們定義的類型的使用者提供一個友好易用的介面--我們完全可以通過方法來實現它們實現的功能。理解了這樣的設計初衷，我們才會恰當，正確地用好這些操作，而不致導致濫用和錯用。