[] 运算符的正确模拟

Question

考虑包含数字数组的 Number 类的情况。我希望类用户轻松访问数字，因此我重载了 [] 运算符，以便用户可以选择十的幂，例如。 number[2] 是代表百的数字，以此类推。该类是索引安全的 - 如果用户指定的索引超出范围，则返回 0（如 10 = 0010）。

但是，设置一个数字需要更多的努力，因为如果指数超过了保存数字的内部表的大小，则必须扩展后者。

很明显，必须选择不同的方法，用户是否要检索数字以及何时要存储它。我想出了以下解决方案（这些类是部分的，只是为了展示这个想法）：

class Number;

class Digit
{
    friend class Number;

private:
    Number number;
    int exponent;

    Digit(Number & newNumber, int newExponent) 
        : number(newNumber), exponent(newExponent)
    {
    }

public:
    operator unsigned char() 
    {
        return number.GetDigit(exponent);
    }

    void operator = (unsigned char digit) 
    {
        number.SetDigit(exponent, digit);
    }
};

class Number
{
    friend class Digit;

private:
    unsigned char GetDigit(int exponent) { ... };
    void SetDigit(int exponent, unsigned char value) { ... };

public:
    Digit operator [] (int exponent)
    {
        return Digit(*this, exponent);
    }
}

Digit 类中的操作符显然调用了 Number 的一些私有方法，这样用户就可以赋值和检索一个值。我也可以采取不同的行动，无论用户是否想要检索价值以及何时想要存储它。

然而，const 有一个问题。如果 Number 类实例是 const，则不能调用运算符 []，除非它也被标记为 const。但是，然后不能实例化 Digit 类，因为它需要 Number &，而 const Number & 被传递。

一种解决方案涉及使用 const_cast，但感觉就像使用 hack - 更不用说，删除 const 将允许用户使用 Digit 的运算符 = 修改数字实例。有没有办法以不同于使用 const_cast 或编写另一个类（例如 ConstDigit）的方式解决此问题？

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另一个问题：我不希望用户存储 Digit 的实例，因为它只是为了用户的舒适而提供的。私有复制构造函数阻止用户存储数字，例如：

auto digit = number[5];

但是，他仍然可以通过引用存储数字：

auto digit & = number[5];

数字通过引用传递给 digit（请参阅 Digit 构造函数）以防止指针出现问题，但在这种情况下它不会阻止 AV：

auto number = new Number();
auto & digit = (*number)[5];
delete number;
digit = 12;

我可以禁止用户在 Number 上使用 new 运算符，但也许还有其他方法？

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更长的答案，为什么我不能通过引用返回数字。

这个数字被保存为两个独立的向量，一个用于整数部分，一个用于小数部分（我已经简化了有问题的示例，但在这里并不重要）。例如，

123.456

存储为

intPart : {3, 2, 1}
fracPart : {4, 5, 6}

如果用户请求第 100 位的数字，我只需检查它是否在数组边界之外并返回 0（因为 - 正如我所提到的，10 = 0010 = 00010 = ... 等等）

但是，如果用户希望设置数字，我必须扩展数组以填充所有剩余的指数，例如。

100 // user wants to set millions' digit to 5
5 [000] 100 // i have to add these empty digits

当然，我也可以在 [] 运算符中这样做。但是，如果用户决定将第 100 位设置为 0，我将不得不添加 98 位，如果他尝试这样做，我什至无法检查（并且该数字应该以最小可能的表示形式存储，两者都不前导零和尾随零存在）。我也没有办法在他分配后压缩存储。

其中一个解决方案当然是删除 [] 运算符并使用 getter/setter。但重点是使类易于使用，并且 [] 运算符比一对 getter/setter 方法更能满足这个假设:)

Answer 1

我将从你的第二个问题开始回答：如果你接受引用，你必须确保它在你想要访问它时仍然有效。在您的示例中，绝对不是这种情况。我认为这应该是一个简化的示例，以显示引用对象在通过先前存储的引用访问之前在 somewhere 被销毁的情况。你不能（直接）解决这个问题。

您也可以在 STL 中偶然发现这个“问题”。例如，如果您引用一个向量元素，然后在向量中插入一些内容，请注意该引用（可能）变得无效，因为容器内容可能由于新的内存分配而移动到其他地方。

我认为避免这种情况的唯一方法是使用智能指针。至少要保证对对象的访问是安全的。这不会让您访问 new 对象，如果某些代码更改您背后的 (*number)[5] 替换为 new 数字。

现在开始您的第一个问题：目前，我看不出您打算如何在 Number 对象上设置某个数字。您确实有数字的赋值运算符，但由于Number::operator[] 按值返回数字，因此您不能使用它来设置数字。

我假设我的（错误）理解只是由于代码示例不完整。请适当延长。现在，我假设 Number 的 Digits 在 Number 的构造函数中初始化，并且您的 operator[] 仅用于访问。

一般来说，您可以只创建一个返回const Digit 的上述运算符的const 版本。如果您不能 100% 确定对象不是 const，请不要使用 const_cast 删除 const。否则，您将获得未定义的行为。但是，使用const_cast 向非常量对象添加/删除const 是安全的。这对于重用const 和非const 访问方法的代码很有用。非const 方法可以添加const，调用const 访问方法，然后安全地从返回值中移除const（嗯，这取决于你的实现）。有关详细信息，请参阅 Scott Meyers 的“Effective C++”。

也就是说，我必须补充一点，在调用operator[] 时，我通常期望引用一个对象，这可能允许我更改对象（例如：std::vector 或std::map）。如果它仅用于只读访问，则通过 const 引用或 const 值而不是（非 const）值返回。否则，像

这样的错误

Number[5] = 12;

会发生并且被忽视。读者会假设12 被分配给Digitstored in Number[5]。实际上，它只是存储在上述Digit 的副本中。如果Number::operator[] 只返回const Digit，编译器会捕捉到它。

编辑

我知道如何按值返回但仍修改原始数字。但是，我仍然觉得这个界面不直观。在大多数情况下，为你的类提供操作符只有在它提供一致的、甚至更好的、直观的行为时才是明智的。查看您的operator[] 声明，我只看到它按值返回Digit。你的界面告诉我，我得到了一份。没有办法看到它在内部仍然修改了我的 Number 对象。

因此，我认为如果使用getter/setter方法，界面会更清晰。