C++的流插入運算符“<<”和流提取運算符“>>”是C++在類庫中提供的，所有C++編譯系統(tǒng)都在類庫中提供輸入流類istream和輸出流類ostream。cin和cout分別是istream類和ostream類的對象。在類庫提供的頭文件中已經對“<<”和“>>”進行了重載，使之作為流插入運算符和流提取運算符，能用來輸出和輸入C++標準類型的數據。因此，凡是用“cout<<”和“cin>>”對標準類型數據進行輸入輸出的，都要用#include 把頭文件包含到本程序文件中。

用戶自己定義的類型的數據，是不能直接用“<<”和“>>”來輸出和輸入的。如果想用它們輸出和輸入自己聲明的類型的數據，必須對它們重載。

對“<<”和“>>”重載的函數形式如下：

  istream & operator >> (istream &, 自定義類 &);
  ostream & operator << (ostream &, 自定義類 &);

即重載運算符“>>”的函數的第一個參數和函數的類型都必須是istream&類型，第二個參數是要進行輸入操作的類。重載“<<”的函數的第一個參數和函數的類型都必須是ostream&類型，第二個參數是要進行輸出操作的類。因此，只能將重載“>>”和“<<”的函數作為友元函數或普通的函數，而不能將它們定義為成員函數。
重載流插入運算符“<<”

在程序中，人們希望能用插入運算符“<<”來輸出用戶自己聲明的類的對象的信息，這就需要重載流插入運算符“<<”。

[例] 用重載的“<<”輸出復數。

#include <iostream>
using namespace std;
class Complex
{
  public:
  Complex( ){real=0;imag=0;}
  Complex(double r,double i){real=r;imag=i;}
  Complex operator + (Complex &c2); //運算符“+”重載為成員函數
  friend ostream& operator << (ostream&,Complex&); //運算符“<<”重載為友元函數
  private:
  double real;
  double imag;
};
Complex Complex::operator + (Complex &c2)//定義運算符“+”重載函數
{
  return Complex(real+c2.real,imag+c2.imag);
}
ostream& operator << (ostream& output,Complex& c) //定義運算符“<<”重載函數
{
  output<<"("<<c.real<<"+"<<c.imag<<"i)"<<endl;
  return output;
}
int main( )
{
  Complex c1(2,4),c2(6,10),c3;
  c3=c1+c2;
  cout<<c3;
  return 0;
}

注意，在Visual C++ 6.0環(huán)境下運行時，需將第一行改為#include <iostream.h>，并刪去第2行，否則編譯不能通過。運行結果為：

(8+14i)

可以看到在對運算符“<<”重載后，在程序中用“<<”不僅能輸出標準類型數據，而且可以輸出用戶自己定義的類對象。用“cout<<c3”即能以復數形式輸出復數對象c3的值。形式直觀，可讀性好，易于使用。

下面對怎樣實現運算符重載作一些說明。程序中重載了運算符“<<”，運算符重載函數中的形參output是ostream類對象的引用，形參名output是用戶任意起的。分析main函數最后第二行：

  cout<<c3;

運算符“<<”的左面是cout，前面已提到cout是ostream類對象?！?lt;<”的右面是c3，它是Complex類對象。由于已將運算符“<<”的重載函數聲明為Complex類的友元函數，編譯系統(tǒng)把“cout<<c3”解釋為

  operator<<(cout, c3)

即以cout和c3作為實參，調用下面的operator<<函數：

  ostream& operator<<(ostream& output,Complex& c)
  {
    output<<"("<<c.real<<"+"<<c.imag<<"i)"<<endl;
    return output;
  }

調用函數時，形參output成為cout的引用，形參c成為c3的引用。因此調用函數的過程相當于執(zhí)行：

cout<<″(″<<c3.real<<″+″<<c3.imag<<″i)″<<endl; return cout;

請注意，上一行中的“<<”是C++預定義的流插入符，因為它右側的操作數是字符串常量和double類型數據。執(zhí)行cout語句輸出復數形式的信息。然后執(zhí)行return語句。

請思考，return  output的作用是什么？回答是能連續(xù)向輸出流插入信息。output是ostream類的對象，它是實參cout的引用，也就是cout通過傳送地址給output，使它們二者共享同一段存儲單元，或者說output是cout的別名。因此，return output就是return cout，將輸出流cout的現狀返回，即保留輸出流的現狀。

請問返回到哪里？剛才是在執(zhí)行

  cout<<c3;

在已知cout<<c3的返回值是cout的當前值。如果有以下輸出：

  cout<<c3<<c2;

先處理

  cout<<c3

即

  (cout<<c3)<<c2;

而執(zhí)行(cout<<c3)得到的結果就是具有新內容的流對象cout，因此，(cout<<c3)<<c2相當于cout(新值)<<c2。運算符“<<”左側是ostream類對象cout，右側是Complex類對象c2，則再次調用運算符“<<”重載函數，接著向輸出流插入c2的數據。現在可以理解了為什么C++規(guī)定運算符“<<”重載函數的第一個參數和函數的類型都必須是ostream類型的引用，就是為了返回cout的當前值以便連續(xù)輸出。

請讀者注意區(qū)分什么情況下的“<<”是標準類型數據的流插入符，什么情況下的“<<”是重載的流插入符。如

  cout<<c3<<5<<endl;

有下劃線的是調用重載的流插入符，后面兩個“<<”不是重載的流插入符，因為它的右側不是Complex類對象而是標準類型的數據，是用預定義的流插入符處理的。

還有一點要說明，在本程序中，在Complex類中定義了運算符“<<”重載函數為友元函數，因此只有在輸出Complex類對象時才能使用重載的運算符，對其他類型的對象是無效的。如

  cout<<time1; //time1是Time類對象，不能使用用于Complex類的重載運算符

重載流提取運算符“>>”

C++預定義的運算符“>>”的作用是從一個輸入流中提取數據，如“cin>>i;”表示從輸入流中提取一個整數賦給變量i(假設已定義i為int型)。重載流提取運算符的目的是希望將“>>”用于輸入自定義類型的對象的信息。

[例] 在上例的基礎上，增加重載流提取運算符“>>”，用“cin>>”輸入復數，用“cout<<”輸出復數。

#include <iostream>
using namespace std;
class Complex
{
  public:
  friend ostream& operator << (ostream&,Complex&); //聲明重載運算符“<<”
  friend istream& operator >> (istream&,Complex&); //聲明重載運算符“>>”
  private:
  double real;
  double imag;
};
ostream& operator << (ostream& output,Complex& c) //定義重載運算符“<<”
{
  output<<"("<<c.real<<"+"<<c.imag<<"i)";
  return output;
}
istream& operator >> (istream& input,Complex& c) //定義重載運算符“>>”
{
  cout<<"input real part and imaginary part of complex number:";
  input>>c.real>>c.imag;
  return input;
}
int main( )
{
  Complex c1,c2;
  cin>>c1>>c2;
  cout<<"c1="<<c1<<endl;
  cout<<"c2="<<c2<<endl;
  return 0;
}

運行情況如下：

input real part and imaginary part of complex number:3 6↙
input real part and imaginary part of complex number:4 10↙
c1=(3+6i)
c2=(4+10i)

以上運行結果無疑是正確的，但并不完善。在輸入復數的虛部為正值時，輸出的結果是沒有問題的，但是虛部如果是負數，就不理想，請觀察輸出結果。

input real part and imaginary part of complex number:3 6↙
input real part and imaginary part of complex number:4 -10↙
c1=(3+6i)
c2=(4+-10i)

根據先調試通過，最后完善的原則，可對程序作必要的修改。將重載運算符“<<”函數修改如下：

ostream& operator << (ostream& output，Complex& c)
{
  output<<"("<<c.real;
  if(c.imag>=0) output<<"+";//虛部為正數時，在虛部前加“+”號
  output<<c.imag<<"i)"<<endl; //虛部為負數時，在虛部前不加“+”號
  return output;
}

這樣，運行時輸出的最后一行為c2=(4-10i) 。

可以看到，在C++中，運算符重載是很重要的、很有實用意義的。它使類的設計更加豐富多彩，擴大了類的功能和使用范圍，使程序易于理解，易于對對象進行操作，它體現了為用戶著想、方便用戶使用的思想。有了運算符重載，在聲明了類之后，人們就可以像使用標準類型一樣來使用自己聲明的類。類的聲明往往是一勞永逸的，有了好的類，用戶在程序中就不必定義許多成員函數去完成某些運算和輸入輸出的功能，使主函數更加簡單易讀。好的運算符重載能體現面向對象程序設計思想。

可以看到，在運算符重載中使用引用(reference)的重要性。利用引用作為函數的形參可以在調用函數的過程中不是用傳遞值的方式進行虛實結合，而是通過傳址方式使形參成為實參的別名，因此不生成臨時變量(實參的副本)，減少了時間和空間的開銷。此外，如果重載函數的返回值是對象的引用時，返回的不是常量，而是引用所代表的對象，它可以出現在賦值號的左側而成為左值(left value)，可以被賦值或參與其他操作(如保留cout流的當前值以便能連續(xù)使用“<<”輸出)。但使用引用時要特別小心，因為修改了引用就等于修改了它所代表的對象。