用 cout 输出对象

运算符重载实现

我们先观察一个简化的 Time 类实现：

/* Time.h */
#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;
class Time
{
private:
    int hour;
    int minute;
    int second;
public:
    Time(int h = 0, int m = 0, int s = 0) : hour(h), minute(m), second(s) {}
    void Show() const { cout << hour << ":" << minute << ":" << second << endl; }
};

/* Time.cpp */
#include "Time.h"

int main()
{
    Time t(12, 30, 20);
    t.Show();
    return 0;
}

当前实现需要通过 t.Show() 显式调用输出方法，这种设计违背了面向对象编程的直观性原则。理想的使用方式应当支持标准流输出语法：

cout << t;  // 期望输出：12:30:20

直接尝试该语法会导致编译错误，因为编译器无法自动推导自定义类型的输出格式。为此我们需要为 std::ostream 重载 << 运算符。考虑到运算符函数需要访问类的私有成员，必须将其声明为友元函数：

friend void operator<<(std::ostream &os, const Time &t)
{
	os << t.hour << ":" << t.minute << ":" << t.second;
}

此时即可通过标准输出流直接操作对象：

cout << t;  // 正确输出：12:30:20

链式调用问题

在实际使用中我们发现该实现无法支持链式输出，下列代码将引发编译错误。这会严重影响代码的可组合性，违背运算符重载应保持原生语义的原则：

cout << t << " Have a good day, Adehit!";  // 编译错误

编译后出现了错误信息 error: invalid operands of types 'void' and 'const char [26]' to binary 'operator<<' 。即当前运算符函数返回void类型，导致后续输出操作缺乏有效的流对象。

通过类型推导工具可以验证运算符的预期行为：

#include <typeinfo>
using std::cout;
int main()
{
	cout << (typeid(decltype(cout << "")).name());  // 输出So.（即ostream&类型，不同编译器输出结果可能不同）
}

原生流运算符始终返回流引用以支持链式调用。同理，cout << t 的返回值必须保持流对象的连续性。需要注意的一个小细节是，我们需要返回 ostream 的引用，若返回非引用类型，每次调用都会产生流对象的副本，这不仅违反流对象不可复制的特性，还会造成严重的性能损耗。

因此，我们将代码修改如下：

/* Time.h */
#include <iostream>
using std::ostream;

class Time {
    // ...
    friend ostream &operator<<(ostream &os, const Time &t);
};

ostream &operator<<(ostream &os, const Time &t) {
    os << t.hour << ":" << t.minute << ":" << t.second;
    return os;
}

/* Time.cpp */
#include "Time.h"

int main() {
    Time t(12, 30, 20);
    cout << t << " Have a good day, Adehit!";
    return 0;
}

至此，我们定义的 Time 类能够正常使用 cout 来进行输出。