重载<<运算符为何需返回对象引用以支持链式调用？

1. 为什么返回引用支持链式调用？ #

链式调用cout << coord1 << coord2本质是按左到右顺序执行，等价于：

operator<<(operator<<(cout, coord1), coord2);

第一个operator<<(cout, coord1)执行后，需要返回一个能被下一个operator<<接收的ostream对象。如果返回的是ostream&（也就是传入的cout的引用），第二个调用就直接用这个引用操作原cout对象，自然能连续完成输出。

2. 返回对象引用具体指什么？是返回cout的引用避免副本吗？ #

对，这里返回的就是传入的output参数的引用——也就是cout本身的引用（因为调用时第一个参数就是cout）。

返回引用而非值的核心原因有两个：

• ostream类是不可拷贝的（它的拷贝构造函数被声明为delete），根本没法创建副本返回；
• 就算能拷贝，返回值会产生临时对象，链式调用操作的是临时对象而非原cout，不仅效率低，还可能出现输出顺序、流状态异常等问题。返回引用直接复用原对象，既高效又保证操作的是同一个流。

3. 编译器背后的具体原理 #

从编译执行逻辑看：

• 运算符<<的结合性是左到右，编译器会先处理cout << coord1，再把这个结果作为第二个<<的左操作数；
• 当函数返回ostream&时，编译器不会创建新对象，而是直接返回原ostream对象的内存地址别名（引用就是变量的别名），后续调用直接操作原对象；
• 如果返回的是ostream值，编译器会尝试调用ostream的拷贝构造函数创建临时对象，但因为ostream禁止拷贝，编译阶段就会报错，根本到不了链式调用的执行环节。

4. 移除引用后无法链式调用的原因 #

改成ostream operator<<(ostream &output, coords coord)后，有两个致命问题：

• 首先，ostream不允许拷贝，尝试返回值时编译器会直接报错（因为要调用被禁用的拷贝构造函数），连编译都通不过；
• 退一步假设能拷贝（比如自定义可拷贝的流类），第一个调用返回的是临时ostream对象，而operator<<的第一个参数是ostream&（非const左值引用），C++不允许将临时对象绑定到非const左值引用，第二个<<调用会因参数不匹配报错，自然无法链式调用。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Colors