<C++>友元和内部类

本文详细介绍了C++中的友元机制,包括友元函数和友元类,强调了友元如何帮助解决特定的访问权限问题,同时讨论了其潜在的耦合风险。另外,还探讨了内部类的概念,指出内部类天然具有访问外部类所有成员的权限,但外部类并非内部类的友元。最后,文章通过示例代码阐述了友元和内部类的使用方法及其特性。

1. 友元

友元提供了一种突破封装的方式,有时提供了便利。但是友元会增加耦合度,破坏了封装,所以友元不宜多用。
友元分为:友元函数和友元类 

1.1 友元函数

问题:现在尝试去重载operator<<,然后发现没办法将operator<<重载成成员函数。因为cout的输出流对象和隐含的this指针在抢占第一个参数的位置。this指针默认是第一个参数也就是左操作数了。但是实际使用中cout需要是第一个形参对象,才能正常使用。所以要将operator<<重载成全局函数。但又会导致类外没办法访问成员,此时就需要友元来解决。operator>>同理。 

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	// d1 << cout; -> d1.operator<<(&d1, cout); 不符合常规调用
	// 因为成员函数第一个参数一定是隐藏的this,所以d1必须放在<<的左侧
	ostream& operator<<(ostream& _cout)
	{
		_cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
		return _cout;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

友元函数可以直接访问类的私有成员它是定义在类外部的普通函数不属于任何类但需要在类的内部声明,声明时需要加friend关键字

class Date
{
	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
	friend istream& operator>>(istream& _cin, Date& d);
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
	_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
	return _cout;
}
istream& operator>>(istream& _cin, Date& d)
{
	_cin >> d._year;
	_cin >> d._month;
	_cin >> d._day;
	return _cin;
}
int main()
{
	Date d;
	cin >> d;
	cout << d << endl;
	return 0;
}

说明:

  • 友元函数可访问类的私有和保护成员,但不是类的成员函数
  • 友元函数不能用const修饰
  • 友元函数可以在类定义的任何地方声明,不受类访问限定符限制
  • 一个函数可以是多个类的友元函数
  • 友元函数的调用与普通函数的调用原理相同

1.2 友元类

友元类的所有成员函数都可以是另一个类的友元函数,都可以访问另一个类中的非公有成员。 

class Time
{
	friend class Date; // 声明日期类为时间类的友元类,则在日期类中就直接访问Time类中的私有成员变量
public:
	Time(int hour = 0, int minute = 0, int second = 0)
		: _hour(hour)
		, _minute(minute)
		, _second(second)
	{}
private:
	int _hour;
	int _minute;
	int _second;
};
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second)
	{
		// 直接访问时间类私有的成员变量
		_t._hour = hour;
		_t._minute = minute;
		_t._second = second;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Time _t;
};
  • 友元关系是单向的,不具有交换性。

比如上述Time类和Date类,在Time类中声明Date类为其友元类,那么可以在Date类中直接访问Time类的私有成员变量,但想在Time类中访问Date类中私有的成员变量则不行。

  • 友元关系不能传递

如果C是B的友元,B是A的友元,则不能说明C时A的友元。 

  • 友元关系不能继承

2. 内部类

概念:如果一个类定义在另一个类的内部,这个内部类就叫做内部类。内部类是一个独立的类,它不属于外部类,更不能通过外部类的对象去访问内部类的成员。外部类对内部类没有任何优越的访问权限。

注意:内部类就是外部类的友元类,参见友元类的定义,内部类可以通过外部类的对象参数来访问外部类中的所有成员。但是外部类不是内部类的友元。 

class A
{
private:
	static int k;
	int h;
public:
	class B // B天生就是A的友元
	{
	public:
		void foo(const A& a)
		{
			cout << k << endl;//OK
			cout << a.h << endl;//OK
		}
	};
};
int A::k = 1;
int main()
{
	A::B b; // 用内部类创建对象时需要指明外部类
	b.foo(A());
	return 0;
}

特性:

1. 内部类定义在外部类的public、protected、private都是可以的。
2. 注意内部类可以直接访问外部类中的static成员,不需要外部类的对象/类名
3. sizeof(外部类)=外部类,和内部类没有任何关系。

class A
{
	int _a;
	int _b;
	class B 
	{
		int _c;
	};
};

int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl; //sizeof(外部类)=外部类,和内部类没有任何关系
	return 0;
}

思维导图

 

 

### C++ 中运算符重载 #### 方法概述 在 C++ 中,运算符重载允许程序员定义类对象之间的操作行为。通过这种方式可以实现更加直观的操作方式[^1]。 对于不同的运算符,其重载的方式也有所不同。例如加法运算符 `+` 可以被用于自定义类型的相加逻辑;乘法运算符 `*` 则可用于表示两个对象间的某种形式的组合或交互。 #### 实现细节 当在一个类内部声明成员函数来重载二运算符时(如 `operator+()`),该成员函数通常接收一个参数并隐含地接受当前实例作为第一个参数 (`this`)。下面是一个具体的例子展示如何为名为 `Person` 的类重载加法运算符: ```cpp class Person { public: int m_a; double m_b; // 构造函数 Person(int a, double b):m_a(a), m_b(b){} // 成员函数版本的 operator+ Person operator+(const Person& other) const{ return Person(this->m_a + other.m_a, this->m_b + other.m_b); } }; ``` 上述代码展示了怎样创建一个新的 `Person` 对象并将两个现有对象的数据成员相加以返回新对象的结果[^2]。 另外一种常见的做法是以全局 (friend) 函数的形式来进行运算符重载,这使得语法上看起来更自然,并且支持左操作数不是本类的对象的情况。这里给出同样的加法运算符重载但是采用非成员函数的方式来完成: ```cpp // 声明为 friend 以便访问私有/保护成员变量 friend Person operator+(const Person& lhs, const Person& rhs){ return Person(lhs.m_a + rhs.m_a, lhs.m_b + rhs.m_b); } ``` 这两种方法都可以有效地达到相同的效果,在实际编程过程中可以根据具体需求和个人偏好选择合适的方法。
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