演算子のオーバーロード

CoddyのC#ジャーニー「オブジェクト指向プログラミング」セクションの一部。レッスン 36/70。

演算子のオーバーロードを使うと、カスタムクラスで +、-、== のような演算子がどのように動作するかを定義できます。point1.Add(point2) のような method を呼び出す代わりに、より自然な point1 + point2 と記述できます。

演算子をoverloadするには、operatorキーワードを使用して特別な静的methodを作成します。

public class Vector
{
    public int X { get; }
    public int Y { get; }
    
    public Vector(int x, int y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }
    
    public static Vector operator +(Vector a, Vector b)
    {
        return new Vector(a.X + b.X, a.Y + b.Y);
    }
}

これで、ベクトルを自然に加算できます。

Vector v1 = new Vector(3, 4);
Vector v2 = new Vector(1, 2);
Vector v3 = v1 + v2;  // X = 4, Y = 6

メソッドはpublic staticでなければならず、少なくとも1つのパラメーターはそれを含む型でなければなりません。算術演算子（+、-、*、/）、比較演算子（==、!=、<、>）、および単項演算子（-、!、++）をオーバーロードできます。

比較演算子はペアでオーバーロードする必要があることに注意してください。==を定義する場合は、!=も定義する必要があります。

コードをより直感的にできる場合、特にベクトル、複素数、金額などの数学的な型では、operator overloading を使用してください。操作の意味がすぐに明らかにならない場合は、operator overloading を避けてください。

チャレンジ

簡単

Fraction class を作成して、operator overloading によって分数を自然に扱えるようにしましょう。fraction1.Add(fraction2) のような method を呼び出す代わりに、直感的な fraction1 + fraction2 と書けるようになります。

コードを2つのファイルに分けて整理します。

Fraction.cs: Math namespace に、numerator と denominator を持つ分数を表す Fraction class を Create します。Fraction には次の要素を持たせます。
- 2つの read-only integer properties: Numerator と Denominator
- numerator と denominator を（この順番で）accepts する constructor
- 次の Formula を使って2つの分数を加算する overloaded + operator: (a/b) + (c/d) = (a*d + c*b) / (b*d)
- 2つの分数を multiply する overloaded * operator: (a/b) * (c/d) = (a*c) / (b*d)
- 2つの分数が equal である場合に true を返す overloaded == operator（比較には cross-multiply を使用: a*d == c*b）
- == を overload すると required になる overloaded != operator。== の反対を返します
- 分数を "{Numerator}/{Denominator}" の format の string として返す GetDisplay() method
Program.cs: main file で、input values を使って2つの分数を Create します。それらを add、multiply し、equal かどうかを check して、overloaded operators を実演します。operators が自然に動作することを示すため、結果を Print します。

4つの input を受け取ります。

First fraction's numerator（integer）
First fraction's denominator（integer）
Second fraction's numerator（integer）
Second fraction's denominator（integer）

次の format で output を Print します。

Fraction 1: {GetDisplay()}
Fraction 2: {GetDisplay()}
Sum: {GetDisplay()}
Product: {GetDisplay()}
Are equal: {True/False}

たとえば input が 1、2、2、4 の場合、output は次のようになります。

Fraction 1: 1/2
Fraction 2: 2/4
Sum: 8/8
Product: 2/8
Are equal: True

1/2 と 2/4 が、1*4 == 2*2 であるため equal と認識されることに注目してください。Sum と product は simplification なしで計算されますが、この challenge では問題ありません。familiar な operators を使って、Fraction をこれほど自然に扱えるようになることが、この方法の魅力です。

自分で試してみよう

using System;
using Math;

class Program
{
    public static void Main(string[] args)
    {
        // 最初の分数の入力を読み取る
        int num1 = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());
        int den1 = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());
        
        // 2番目の分数の入力を読み取る
        int num2 = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());
        int den2 = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());
        
        // TODO: 入力値を使用して2つの Fraction オブジェクトを作成する
        
        // TODO: オーバーロードされた + 演算子を使用して分数を加算する
        
        // TODO: オーバーロードされた * 演算子を使用して分数を乗算する
        
        // TODO: オーバーロードされた == 演算子を使用して等価性を確認する
        
        // TODO: 必要な形式で出力を印刷する:
        // 分数 1: {GetDisplay()}
        // 分数 2: {GetDisplay()}
        // 合計: {GetDisplay()}
        // 積: {GetDisplay()}
        // Are equal: {True/False}
    }
}