C++ 编程基础（5）类与对象 | 5.7、友元

前言：

在C++中，友元类和友元函数是一种特殊的访问控制机制，允许一个类授予另一个类或函数特殊的访问权限。通过使用友元类和友元函数，可以绕过类的封装性，直接访问类的私有和受保护成员。本文将详细介绍C++中的友元类与友元函数，并通过示例代码加以说明。

一、友元

1、友元函数

友元函数是一种非成员函数，它被声明为某个类的友元，从而可以访问该类的私有和受保护成员。友元函数通常用于实现与类相关的辅助功能，或者在不改变类接口的情况下扩展类的功能。

1.1、声明友元函数

友元函数的声明可以在类定义内部进行，使用friend关键字。示例如下：

#include <iostream>
using namespace std;class Box {
private:double width;public:Box(double w) : width(w) {}// 声明友元函数friend void printWidth(Box box);
};// 定义友元函数
void printWidth(Box box) {cout << "Width of box: " << box.width << endl;
}int main() {Box box(10.0);printWidth(box); // 调用友元函数return 0;
}

1.2、友元函数的特性

• 非成员函数： 友元函数不是类的成员函数，没有this指针。
• 访问权限： 友元函数可以访问类的私有成员和保护成员。
• 定义位置： 友元函数的定义可以在类内部也可以在类外部，但声明必须在类内部。

2、友元类

友元类是一种类，它被声明为另一个类的友元，从而可以访问该类的私有和受保护成员。友元类通常用于实现两个类之间的紧密耦合，特别是在需要相互访问对方私有成员的情况下。

2.1、声明友元类

友元类的声明也是在类定义内部进行，使用friend关键字。示例如下：

#include <iostream>
using namespace std;class Engine; // 前向声明class Car {
private:string model;public:Car(string m) : model(m) {}// 声明Engine为友元类friend class Engine;
};class Engine {
public:void displayCarModel(Car car) {cout << "Car model: " << car.model << endl;}
};int main() {Car car("Tesla");Engine engine;engine.displayCarModel(car); // 调用Engine类的成员函数，它可以访问Car类的私有成员return 0;
}

2.2、友元类的特性

• 整体访问： 一旦一个类被声明为另一个类的友元类，它的所有成员函数都可以访问另一个类的私有成员和保护成员。
• 双向性： 友元关系不是双向的。如果Engine是Car的友元类，并不意味着Car也是Engine的友元类。
• 前向声明： 如果友元类在声明时还未定义，可以先进行前向声明（forward declaration）。

3、使用场景

• 实现关联类之间的紧密耦合： 当两个类需要相互访问对方的私有成员时，可以使用友元类来实现这种紧密耦合。
• 提供辅助功能： 当需要为类提供一些辅助功能，但又不想将这些功能作为类的成员函数时，可以使用友元函数来实现。
• 优化性能： 在某些情况下，为了提高性能，可能需要绕过类的封装性，直接访问其内部数据。这时，可以使用友元类或友元函数来实现。

4、注意事项

• 破坏封装性： 友元类和友元函数会破坏类的封装性，因为它们可以访问类的私有和受保护成员。因此，在使用时应谨慎考虑，避免滥用。
• 安全性问题： 由于友元类和友元函数可以访问类的私有成员，因此可能会引发安全性问题。例如，如果友元类或友元函数被恶意使用，可能会导致数据的泄露或篡改。
• 维护困难： 过度使用友元类和友元函数会使代码难以理解和维护。因为其他程序员可能不清楚为什么某些类或函数可以访问另一些类的私有成员。

5、总结

C++中的友元类与友元函数是一种强大的工具，它们允许程序员在保持类封装性的同时，实现对类内部数据的直接访问。然而，在使用时应谨慎考虑其对封装性、安全性和维护性的影响。只有在确实需要时才使用友元类和友元函数，以避免引入不必要的复杂性和潜在问题。