C++ 中的友元（Friend）用法详解

news2024/10/23 17:50:09

什么是友元（Friend）？👭

友元 (C++) | Microsoft Learn

在C++中，友元（Friend）是一种机制，允许外部函数或类访问某个类的私有（private）或保护（protected）成员。

⚠️⚠️友元不是类的成员，但它能绕过封装限制，直接访问类中的私有数据。

2. 友元函数的定义与作用🆙

普通成员函数的访问限制

假设有一个类 Person，如下所示：
class Person {
private:
    std::string name;
    int age;
public:
    Person(std::string n, int a) : name(n), age(a) {}
};
在上面的例子中，name 和 age 是私有成员，一般情况下不能从类外直接访问。

友元函数如何访问私有数据

我们可以定义一个友元函数，允许它直接访问 Person 类的私有成员：

#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
private:
    std::string name;
    int age;
public:
    Person(std::string n, int a) : name(n), age(a) {}

    // 声明友元函数
    friend void displayPersonInfo(const Person& p);
};

// 友元函数的实现
void displayPersonInfo(const Person& p) {
    std::cout << "Name: " << p.name << ", Age: " << p.age << std::endl;
}

int main() {
    Person p1("Alice", 30);
    displayPersonInfo(p1); 
    return 0;
}

解释：

friend 关键字用于声明 displayPersonInfo 是 Person 类的友元函数。
虽然 displayPersonInfo 不是 Person 类的成员，但它能访问 name 和 age。

3. 友元类的概念与使用😮‍💨

除了友元函数，C++ 还允许一个类成为另一个类的友元，从而使该类的所有成员函数都能访问另一个类的私有成员。

友元类的示例：

#include <iostream>
using namespace std;
class Engine {
private:
    int horsepower;
public:
    Engine(int hp) : horsepower(hp) {}

    // 声明 Car 为友元类
    friend class Car;
};

class Car {
public:
    void showEnginePower(const Engine& e) {
        std::cout << "Engine horsepower: " << e.horsepower << std::endl;
    }
};

int main() {
    Engine engine(500);
    Car car;
    car.showEnginePower(engine);  
    return 0;
}

解释：

这里，Car 是 Engine 的友元类，因此 Car 的成员函数可以访问 Engine 的私有数据 horsepower。

4. 友元的实际案例：为什么以及何时使用？

典型使用场景：

重载运算符： 需要通过友元函数访问类的私有成员来实现运算符重载。

辅助调试或测试： 有时为了更方便地测试类中的私有数据，可以使用友元。

跨类协作： 当两个类高度耦合时，可以通过友元类减少重复代码

例子：运算符重载

class Complex {
private:
    double real, imag;
public:
    Complex(double r, double i) : real(r), imag(i) {}

    // 声明友元函数重载 '+' 运算符
    friend Complex operator+(const Complex& c1, const Complex& c2);
};

// 重载 '+' 运算符
Complex operator+(const Complex& c1, const Complex& c2) {
    return Complex(c1.real + c2.real, c1.imag + c2.imag);
}

int main() {
    Complex c1(1.0, 2.0), c2(3.0, 4.0);
    Complex c3 = c1 + c2;
    std::cout << "Real: " << c3.real << ", Imag: " << c3.imag << std::endl;
    return 0;
}

解释：

operator+ 是一个友元函数，用于访问 Complex 类的私有成员 real 和 imag。

5. 注意事项⚠️

破坏封装性： 使用友元会暴露类的私有数据，容易破坏封装性，因此要慎用。

维护复杂性： 如果过多使用友元类或友元函数，类之间的耦合度会增加，导致代码难以维护。

6. 图解：类与友元的关系

图示：友元函数访问类的私有成员

说明：

图中展示了 Person 类和 displayPersonInfo 友元函数的关系。即使 name 和 age 是私有的，displayPersonInfo 仍然能访问它们。

复盘吧💪

友元函数和友元类允许类的私有成员对外开放，但应谨慎使用。
友元机制非常适用于重载运算符或跨类访问数据的情况，但滥用可能导致代码的耦合性和维护成本增加。

对类访问不是很理解的可以看这篇

C++类域访问方式（public，protected，private）对象访问，通过成员函数访问，通过友元函数访问-CSDN博客文章浏览阅读144次。C++类的域访问方式主要由访问修饰符控制。了解这些访问方式可以帮助我们设计更安全和可维护的类。通过合理的封装，可以有效保护数据的完整性。https://blog.csdn.net/LJY_CF/article/details/143084393?spm=1001.2014.3001.5502