友元函数和友元类

友元函数和友元类

采用类的机制后实现了数据的隐藏与封装,类的数据成员一般定义为私有成员,成员函数一般定义为公有的,依此提供类与外界间的通信接口。但是,有时需要定义一些函数,这些函数不是类的一部分,但又需要频繁地访问类的数据成员,这时可以将这些函数定义为该函数的友元函数。除了友元函数外,还有友元类,两者统称为友元。友元的作用是提高了程序的运行效率(即减少了类型检查和安全性检查等都需要时间开销),但它破坏了类的封装性和隐藏性,使得非成员函数可以访问类的私有成员。

友元函数
      友元函数是可以直接访问类的私有成员的非成员函数。它是定义在类外的普通函数,它不属于任何类,但需要在类的定义中加以声明,声明时只需在友元的名称前加上关键字friend,其格式如下:
friend  类型  函数名(形式参数);

友元函数的声明可以放在类的私有部分,也可以放在公有部分,它们是没有区别的,都说明是该类的一个友元函数。
      一个函数可以是多个类的友元函数,只需要在各个类中分别声明。
      友元函数的调用与一般函数的调用方式和原理一致。

友元类
      友元类的所有成员函数都是另一个类的友元函数,都可以访问另一个类中的隐藏信息(包括私有成员和保护成员)。      
      当希望一个类可以存取另一个类的私有成员时,可以将该类声明为另一类的友元类。定义友元类的语句格式如下:
friend class 类名;
其中:friend和class是关键字,类名必须是程序中的一个已定义过的类。

      例如,以下语句说明类B是类A的友元类:
class  A
      {

public:
             friend class  B;

};
经过以上说明后,类B的所有成员函数都是类A的友元函数,能存取类A的私有成员和保护成员。

      使用友元类时注意:
(1)
友元关系不能被继承。
(2) 友元关系是单向的,不具有交换性。若类B是类A的友元,类A不一定是类B的友元,要看在类中是否有相应的声明。
(3) 友元关系不具有传递性。若类B是类A的友元,类C是B的友元,类C不一定是类A的友元,同样要看类中是否有相应的申明

在C++中,**友元(Friend)**是一种机制,允许非成员函数或类访问另一个类的**私有(private)****保护(protected)**成员。友元关系破坏了封装性,但有时能提高灵活性(如运算符重载或复杂类关系)。以下是友元函数友元类的详细说明: --- ## **1. 友元函数(Friend Function)** ### **定义** - 友元函数是**非成员函数**,但可以访问类的私有保护成员。 - 通过在类中用 `friend` 关键字声明。 ### **特点** 1. **不是类的成员**:不依赖对象调用(无 `this` 指针)。 2. **直接访问私有成员**:无需通过公有接口。 3. **不绑定对象**:可以是普通函数、其他类的成员函数,甚至静态函数。 ### **示例** ```cpp class Box { private: double width; public: Box(double w) : width(w) {} // 声明友元函数 friend void printWidth(const Box& box); }; // 友元函数定义(可以访问Box的私有成员) void printWidth(const Box& box) { std::cout << "Width: " << box.width << std::endl; // 直接访问私有成员 } int main() { Box b(10.0); printWidth(b); // 输出: Width: 10 return 0; } ``` ### **常见用途** - **运算符重载**:如重载 `<<` 或 `>>` 时需要访问私有成员。 ```cpp class Complex { friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& c); private: double real, imag; }; std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& c) { os << c.real << " + " << c.imag << "i"; // 访问私有成员 return os; } ``` --- ## **2. 友元类(Friend Class)** ### **定义** - 友元类可以访问另一个类的**所有成员**(包括私有保护成员)。 - 通过在类中用 `friend class` 声明。 ### **特点** 1. **单向性**:友元关系是单向的(A是B的友元,不意味着B是A的友元)。 2. **不可继承**:友元关系不能继承(基类的友元不能自动访问派生类的私有成员)。 3. **慎用**:过度使用会破坏封装性。 ### **示例** ```cpp class Storage { private: int secret; public: Storage(int s) : secret(s) {} // 声明友元类 friend class Display; }; class Display { public: void show(const Storage& s) { std::cout << "Secret: " << s.secret << std::endl; // 访问私有成员 } }; int main() { Storage s(42); Display d; d.show(s); // 输出: Secret: 42 return 0; } ``` ### **常见用途** - **紧密协作的类**:如容器类迭代器类。 ```cpp template <typename T> class Container { friend class Iterator<T>; // 迭代器需要访问容器内部数据 private: T* data; size_t size; }; ``` --- ## **3. 友元成员函数(Friend Member Function)** - 可以只将某个类的**特定成员函数**声明为友元,而非整个类。 ### **示例** ```cpp class A { private: int data; public: A(int d) : data(d) {} // 只声明B的showData为友元 friend void B::showData(const A& a); }; class B { public: void showData(const A& a) { std::cout << "A's data: " << a.data << std::endl; // 访问A的私有成员 } }; ``` --- ## **4. 友元的优缺点** ### **优点** 1. **灵活性**:允许非成员函数或类访问私有数据(如运算符重载)。 2. **效率**:避免通过公有接口间接访问私有成员的开销。 ### **缺点** 1. **破坏封装性**:友元可以绕过访问控制,可能导致设计混乱。 2. **维护困难**:友元关系可能增加代码耦合度。 3. **不可继承**:基类的友元无法访问派生类的私有成员。 --- ## **5. 最佳实践** 1. **谨慎使用**:仅在必要时使用友元(如运算符重载)。 2. **限制范围**:优先使用友元函数而非友元类,避免过度暴露私有成员。 3. **替代方案**:考虑通过公有接口提供访问,或使用 `protected` 继承。 --- ## **6. 总结** | **特性** | **友元函数** | **友元类** | |------------------------|----------------------------------|--------------------------------| | **定义方式** | `friend void func();` | `friend class ClassB;` | | **访问权限** | 可访问类的所有成员 | 可访问类的所有成员 | | **绑定对象** | 不是成员函数,无 `this` 指针 | 类的所有成员函数均可访问 | | **常见用途** | 运算符重载、工具函数 | 紧密协作的类(如迭代器) | ---
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