vectorでoperator+, -, *, /を保持するには?

Question

Operator overloadの練習として分数クラスを定義しました。
その結果を確かめるために、std::cout << "operator +: " << half << " + " << sixth << " = " << half + sixth << "\n";のように書いていたのですが、+-*/の4つしか違いがないのならvectorでまとめてループを回したほうが手っ取り早いと考えました。
ただ自分でcppreferenceで調べても検索結果が膨大だったために、operatorの型と入れる方法が分かりません。

どうすれば良いでしょうか?
class Fractionについてご指摘があれば、そちらも教えていただけると幸いです。
よろしくお願いします。

#include <iostream>
#include <numeric>
#include <vector>
#include <string>

class Fraction {
  int numerator_, denominator_;

  void reduce() {
    int factor = std::gcd(numerator_, denominator_);
    numerator_ /= factor;
    denominator_ /= factor;
  }

 public:
  Fraction(int numerator, int denominator) : numerator_(numerator), denominator_(denominator) {
    if (denominator_ < 0) {
      numerator_ *= -1;
      denominator_ *= -1;
    }
    reduce();
  }

  friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const Fraction &fraction) {
    if (fraction.denominator_ != 1) {
      os << fraction.numerator_ << "/" << fraction.denominator_;
    } else {
      os << fraction.numerator_;
    }
    return os;
  }

  friend Fraction operator+(Fraction first, Fraction second) {
    auto numerator = (first.numerator_ * second.denominator_) + (second.numerator_ * first.denominator_);
    auto denominator = first.denominator_ * second.denominator_;
    return Fraction(numerator, denominator);
  }

  friend Fraction operator-(Fraction first, Fraction second) {
    auto numerator = (first.numerator_ * second.denominator_) - (second.numerator_ * first.denominator_);
    auto denominator = first.denominator_ * second.denominator_;
    return Fraction(numerator, denominator);
  }

  friend Fraction operator*(Fraction first, Fraction second) {
    auto numerator = first.numerator_ * second.numerator_;
    auto denominator = first.denominator_ * second.denominator_;
    return Fraction(numerator, denominator);
  }

  friend Fraction operator/(Fraction first, Fraction second) {
    auto numerator = first.numerator_ * second.denominator_;
    auto denominator = first.denominator_ * second.numerator_;
    return Fraction(numerator, denominator);
  }
};

int main() {
  Fraction half(5, 10);
  Fraction sixth(6, 36);

  std::cout << "operator +: " << half << " + " << sixth << " = " << half + sixth << "\n";
  std::cout << "operator -: " << half << " - " << sixth << " = " << half - sixth << "\n";
  std::cout << "operator *: " << half << " * " << sixth << " = " << half * sixth << "\n";
  std::cout << "operator /: " << half << " / " << sixth << " = " << half / sixth << "\n";

// 以下の正しいやり方が知りたい
//  std::vector<std::string> ops_str{"+", "-", "*", "/"};
//  std::vector<std::operator> ops{operator+, operator-, operator*, operator/};
//  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
//    std::cout << "operator " << ops_str[i] << ": " << half << " " << ops_str[i] << " " << sixth << " = " << half ops[i] sixth << "\n";
//  }
}

Answer 1

operatorの型と入れる方法が分かりません。

C++プログラムで実現するとしたら、2項演算operatorを2引数をとる関数とみなすのが自然だと思います。

https://wandbox.org/permlink/wpuaoPMZcVt3AeoJ

int main() {
  Fraction half(5, 10);
  Fraction sixth(6, 36);

  std::vector<std::string> ops_str{"+", "-", "*", "/"};

  // 2項演算(F ● F -> F)を行う関数型を宣言
  using BinOp = Fraction(const Fraction&, const Fraction&);
  std::vector<std::function<BinOp>> ops{
    std::plus<Fraction>(),        // F + F -> F
    std::minus<Fraction>(),       // F - F -> F
    std::multiplies<Fraction>(),  // F * F -> F
    std::divides<Fraction>()      // F / F -> F
  };

  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    std::cout << "operator " << ops_str[i] << ": "
      << half << " " << ops_str[i] << " " << sixth << " = "
      << (ops[i])(half, sixth) << "\n";  // half `ops[i]` sixth相当
  }
}

---

技術的には各種operatorへのポインタ型として直接扱うことも可能ではあります。ただし、質問中コードのようにoperatorをfriend関数として定義したり、operatorメンバ関数として定義するケースには対応できないため、実用性・柔軟性には欠けるでしょう。
https://wandbox.org/permlink/Ewg5anm9sobKkIJ8

Comments

[退会済みユーザー]

ありがとうございます。
良い感じにoperatorを取り回すのは難しいのですね、勉強になりました。

[yohhoy]

C++のoperator overloading定義では、複数の書き方（メンバ関数、非メンバ関数、friend関数）が許容されています。
いずれのパターンでも動くようにと考えていくと、この回答にあるような実装方法しか無いと思いますよ。

Answer 2

こちらのサイト、初回答です。よろしくおねがいします。

friend関数を前方宣言すれば良いようです。
https://wandbox.org/permlink/ARajJldEjsVlk1kA

class Fraction;
Fraction operator+( Fraction, Fraction );
Fraction operator-( Fraction, Fraction );
Fraction operator*( Fraction, Fraction );
Fraction operator/( Fraction, Fraction );

class Fraction {
...
};

int main() {
  Fraction half(5, 10);
  Fraction sixth(6, 36);

  std::cout << "operator +: " << half << " + " << sixth << " = " << half + sixth << "\n";
  std::cout << "operator -: " << half << " - " << sixth << " = " << half - sixth << "\n";
  std::cout << "operator *: " << half << " * " << sixth << " = " << half * sixth << "\n";
  std::cout << "operator /: " << half << " / " << sixth << " = " << half / sixth << "\n";

// 以下の正しいやり方が知りたい
  std::vector<std::string> ops_str{"+", "-", "*", "/"};
  std::vector ops{&operator+, &operator-, &operator*, &operator/};
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    std::cout << "operator " << ops_str[i] << ": " << half << " " << ops_str[i] << " " << sixth << " = " << ops[i]( half, sixth ) << "\n";
  }
}

Comments

[退会済みユーザー]

ありがとうございます。これがまさにやりたかったことです!
ただ、2つ質問があります。
1. どうして前方宣言すると挙動が変わるのでしょうか?
2. vectorの型指定なしでも動くようですが、これはautoのようにコンパイラの側で型推論していると捉えていいのでしょうか?
よろしくお願いします

[ameagari_hare]

1については、私も曖昧な理解しかしていないので間違いがあるかもしれませんが...
a.クラス内でのみ定義されたfriend関数はADL(実引数依存の名前探索)でだけ発見できる。
b.前方宣言はグローバル空間に演算子を追加する。
以上によって、呼び出し以外でも演算子を扱うことができるようになります。
当然グローバル空間を汚すのでデバッグ目的のみで使用したほうが良いと思います。
https://ja.cppreference.com/w/cpp/language/adl

2はC++17で追加された機能です。
https://cpprefjp.github.io/lang/cpp17/type_deduction_for_class_templates.html

[退会済みユーザー]

詳しく解説してくださってありがとうございます。
cppreferenceのADLのページはさらっと読んだのですが、よく分かっていませんでした。
こういう場合に使えるのですね。

[yohhoy]

FYI: ameagari_hareさんコメントにある「a. friend関数はADL経由のみ」は以前からあるテクニックですが、最近(C++20)正式に”Hidden Friends”という名前がつきました。
https://yohhoy.hatenadiary.jp/entry/20190531/p1

ameagari_hareさんコメント内ですでに言及されている通り、ADL経由でのみ発見されること／名前空間を汚さないことに意義がありますので、前方宣言を行ってしまうとメリットが失われてしまいますね。

Answer 3

こんにちは。

オーバーロード演算子は、関数形式でも呼び出せるものを特定の場合に限り、見慣れた数式のような形式で記述できるようにしたものです。

例えば、harf + sixthは、operator+(half, sixth);と書けます。（といいますか、後者が通常の書き方で前者のようにも書けるようにコンパイラ側で頑張っているのです。）

恐らく、harf operators[PLUS] sixth的な記述をされたいのだと理解しましたが、そのような機能をコンパイラは提供していません。
ですので、可能なこととしては、yohhoyさんが書かれているような方法となります。

Comments

[退会済みユーザー]

ありがとうございます。

> harf operators[PLUS] sixth的な記述をされたいのだと理解しましたが、そのような機能をコンパイラは提供していません。
出来ないと分かって、ひとまず納得できました

Answer 4

https://cpprefjp.github.io/reference/functional/function.html
http://www7b.biglobe.ne.jp/~robe/cpphtml/html03/cpp03057.html

この方法ではダメですか?

Comments

[退会済みユーザー]

私の理解が浅いのかもしれませんが、求めるものとは少し異なるようです。
vectorでoperatorを管理してループを回す方法を知りたいのです。
すみません。

[maisumakun]

> vectorでoperatorを管理してループを回す方法を知りたいのです。

直接的に行うことは、おそらく無理です。