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C++友元函数和友元类(C++ friend)详解

私有成员只能在类的成员函数内部访问,如果想在别处访问对象的私有成员,只能通过类提供的接口(成员函数)间接地进行。这固然能够带来数据隐藏的好处,利于将来程序的扩充,但也会增加程序书写的麻烦。

C++ 是从结构化的C语言发展而来的,需要照顾结构化设计程序员的习惯,所以在对私有成员可访问范围的问题上不可限制太死。

C++ 设计者认为, 如果有的程序员真的非常怕麻烦,就是想在类的成员函数外部直接访问对象的私有成员,那还是做一点妥协以满足他们的愿望为好,这也算是眼前利益和长远利益的折中。因此,C++ 就有了友元(friend)的概念。打个比方,这相当于是说:朋友是值得信任的,所以可以对他们公开一些自己的隐私。

友元分为两种:友元函数和友元类。

友元函数

在定义一个类的时候,可以把一些函数(包括全局函数和其他类的成员函数)声明为“友元”,这样那些函数就成为该类的友元函数,在友元函数内部就可以访问该类对象的私有成员了。

将全局函数声明为友元的写法如下:

friend  返回值类型  函数名(参数表);

将其他类的成员函数声明为友元的写法如下:

friend  返回值类型  其他类的类名::成员函数名(参数表);

但是,不能把其他类的私有成员函数声明为友元。

关于友元,看下面的程序示例。
#include<iostream>
using namespace std;
class CCar;  //提前声明CCar类,以便后面的CDriver类使用
class CDriver
{
public:
    void ModifyCar(CCar* pCar);  //改装汽车
};
class CCar
{
private:
    int price;
    friend int MostExpensiveCar(CCar cars[], int total);  //声明友元
    friend void CDriver::ModifyCar(CCar* pCar);  //声明友元
};
void CDriver::ModifyCar(CCar* pCar)
{
    pCar->price += 1000;  //汽车改装后价值增加
}
int MostExpensiveCar(CCar cars[], int total)  //求最贵气车的价格
{
    int tmpMax = -1;
    for (int i = 0; i<total; ++i)
        if (cars[i].price > tmpMax)
            tmpMax = cars[i].price;
    return tmpMax;
}
int main()
{
    return 0;
}
这个程序只是为了展示友元的用法,所以 main 函数什么也不做。

第 3 行声明了 CCar 类,CCar 类的定义在后面。之所以要提前声明,是因为 CDriver 类的定义中用到了 CCar 类型(第7行),而此时 CCar 类还没有定义,编译会报错。

不要第 3 行,而把 CCar 类的定义写在 CDriver 类的前面,是解决不了这个问题的,因为 CCar 类中也用到了 CDriver 类型(第14行),把 CCar 类的定义写在前面会导致第 14 行的 CDriver 因没有定义而报错。C++ 为此提供的解决办法是:可以简单地将一个类的名字提前声明,写法如下:

class  类名;

尽管可以提前声明,但是在一个类的定义出现之前,仍然不能有任何会导致该类对象被生成的语句。但使用该类的指针或引用是没有问题的。

第 13 行将全局函数 MostExpensiveCar 声明为 CCar 类的友元,因此在第 24 行可以访问 cars[i] 的私有成员 price。同理,第 14 行将 CDriver 类的 ModifyCar 成员函数声明为友元,因此在第 18 行可以访问 pCar 指针所指向的对象的私有成员变量 price。

友元类

一个类 A 可以将另一个类 B 声明为自己的友元,类 B 的所有成员函数就都可以访问类 A 对象的私有成员。在类定义中声明友元类的写法如下:

friend  class  类名;

来看如下例程:
class CCar
{
private:
    int price;
    friend class CDriver;  //声明 CDriver 为友元类
};
class CDriver
{
public:
    CCar myCar;
    void ModifyCar()  //改装汽车
    {
        myCar.price += 1000;  //因CDriver是CCar的友元类,故此处可以访问其私有成员
    }
};
int main()
{
    return 0;
}
第 5 行将 CDriver 声明为 CCar 的友元类。这条语句本来就是在声明 CDriver 是一个类,所以 CCar 类定义前面就不用声明 CDriver 类了。第 5 行使得 CDriver 类的所有成员函数都能访问 CCar 对象的私有成员。如果没有第 5 行,第 13 行对 myCar 私有成员 price 的访问就会导致编译错误。

一般来说,类 A 将类 B 声明为友元类,则类 B 最好从逻辑上和类 A 有比较接近的关系。例如上面的例子,CDriver 代表司机,CCar 代表车,司机拥有车,所以 CDriver 类和 CCar 类从逻辑上来讲关系比较密切,把 CDriver 类声明为 CCar 类的友元比较合理。

友元关系在类之间不能传递,即类 A 是类 B 的友元,类 B 是类 C 的友元,并不能导出类 A 是类 C 的友元。“咱俩是朋友,所以你的朋友就是我的朋友”这句话在 C++ 的友元关系上 不成立。

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