C++中的friend详细解析

C++中的友元机制允许类的非公有成员被一个类或者函数访问，友元按类型分为三种：普通非类成员函数作为友元,类的成员函数作为友元，类作为友元。友元包括友元的声明以及友元的定义。

友元的声明默认为了extern，就是说友元类或者友元函数的作用域已经扩展到了包含该类定义的作用域，所以即便我们在类的内部定义友元函数也是没有关系的。

友元可以是一个函数，该函数被称为友元函数；友元也可以是一个类，该类被称为友元类。

友元函数的特点是能够访问类中的私有成员的非成员函数。

友元函数从语法上看，它与普通函数一样，即在定义上和调用上与普通函数一样。

友元函数的实现可以在类外定义，但必须在类内部声明

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。

我们已知道类具有封装和信息隐藏的特性。只有类的成员函数才能访问类的私有成员，程序中的其他函数是无法访问私有成员的。非成员函数可以访问类中的公有成员，但是如果将数据成员都定义为公有的，这又破坏了隐藏的特性。另外，应该看到在某些情况下，特别是在对某些成员函数多次调用时，由于参数传递，类型检查和安全性检查等都需要时间开销，而影响程序的运行效率。

为了解决上述问题，提出一种使用友元的方案。友元是一种定义在类外部的普通函数，但它需要在类体内进行说明，为了与该类的成员函数加以区别，在说明时前面加以关键字friend。友元不是成员函数，但是它可以访问类中的私有成员。友元的作用在于提高程序的运行效率（即减少了类型检查和安全性检查等都需要的时间开销），但是，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，非类成员函数，却访问类私有成员】

1.普通的非成员函数友元

[cpp] view plaincopy
#include "cmath"  
#include "iostream"  
using namespace std;  
class Point  
{  
public:  
      Point(double xx,double yy)  
      {  
          x=xx;  
          y=yy;  
      }  
      void GetXY(); //类成员函数 
      friend double Distance(Point &a,Point &b); //非类成员函数，在类中声明，类外定义 
protected:  
private:  
      double x,y;  
};  
void Point::GetXY()  
{  
     //cout<<"("<<this->x<<","<<this->y<<")"<<endl;  
     cout<<"("<<x<<","<<y<<")"<<endl;  
}  
double Distance(Point &a,Point &b)  
{  
     double length;  
     length=sqrt((a.x-b.x)*(a.x-b.x)+(a.y-b.y)*(a.y-b.y)); //a.x，b.x，a.y，b.y都是类的私有成员，它们是通过对象引用的
     return length;  
}  
int main(void)  
{  
     Point p1(3.0,4.0),p2(6.0,8.0);  
     p1.GetXY();    //成员函数的调用方法，通过使用对象来调用  
     p2.GetXY();  
     double d = Distance(p1,p2);     //友元函数的调用方法，同普通函数的调用一样，不要像成员函数那样调用  
     cout<<d<<endl;  
     system("pause");  
     return 0;  
}  

说明：在该程序中的Point类中说明了一个友元函数Distance()，它在说明时前边加friend关键字，标识它不是成员函数，而是友元函数。它的定义方法与普通函数定义一样，而不同于成员函数的定义，因为它不需要指出所属的类。但是，它可以引用类中的私有成员，函数体中的a.x，b.x，a.y，b.y都是类的私有成员，它们是通过对象引用的。在调用友元函数时，也是同普通函数的调用一样，不要像成员函数那样调用。本例中，p1.Getxy()和p2.Getxy()这是成员函数的调用，要用对象来表示。而Distance(p1, p2)是友元函数的调用，它直接调用，不需要对象表示，它的参数是对象。(该程序的功能是已知两点坐标，求出两点的距离。)

下面对上面的代码进行输入、输出流的重载：

[cpp] view plaincopy
#include <cmath>  
#include <iostream>  
using namespace std;  
class Point  
{  
public:  
      Point(double xx,double yy)  
      {  
           x=xx;  
           y=yy;  
      }  
      void GetXY();  
      friend double Distance(Point &a,Point &b);  
     friend ostream &operator <<(ostream &a,Point &b);  
protected:  
private:  
      double x,y;  
};  
// friend ostream& operator<<(ostream& o,A& another);  
ostream &operator <<(ostream &out,Point &b)   //在类中声明的时候，可以是ostream &a，函数定义的时候也可以是ostream &out  
{  
     out<<"("<<b.x<<","<<b.y<<")"<<endl;  
     return out;  
}  
void Point::GetXY()  
{  
     //cout<<"("<<this->x<<","<<this->y<<")"<<endl;  
     //cout<<"("<<x<<","<<y<<")"<<endl;  
     cout<<*this;  
}  
double Distance(Point &a,Point &b)  
{  
     double length;  
     length=sqrt((a.x-b.x)*(a.x-b.x)+(a.y-b.y)*(a.y-b.y));  
     return length;  
}  
int main(void)  
{  
     Point p1(3.0,4.0),p2(6.0,8.0);  
     p1.GetXY();  
     p2.GetXY();  
     double d = Distance(p1,p2);  
     cout<<d<<endl;  
     system("pause");  
     return 0;  
  
}  

2.类作为友元

类作为友元需要注意的是友元类和原始类之间的相互依赖关系，如果在友元类中定义的函数使用到了原始类的私有变量，那么就需要在友元类定义的文件中包含原始类定义的头文件。但是在原始类的定义中（包含友元类声明的那个类），就不需要包含友元类的头文件.
另外，不需要在类定义前去声明友元类，因为友元类的声明自身就是一种声明。

[cpp] view plaincopy
//A.h    
#pragma once    
#include <iostream>    
using namespace std;    
class A    
{    
    //friend class B;  //如果不写这句话将会出现编译错误  
public:    
    ~A(void);    
    A();  
private:      
    int m_nItem;  
};   

//A.cpp  
#include "A.h"  
A::A()  
{  
    m_nItem =3;  
}  
A::~A(void)  
{  
}  

//B.h  
#pragma once    
class B    
{    
public:    
    B(void);    
    ~B(void);    
    int func();    
};    
//B.cpp  
#include "StdAfx.h"  
#include "B.h"    
#include "A.h" //must include A.h   
#include <iostream>  
B::B(void)  
{  
}  
B::~B(void)  
{  
}  
int B::func()    
{    
    cout<<"This is in B"<<endl;    
    A a;  
    return a.m_nItem;  
}    

3.类成员函数作为友元函数

这个稍微有点复杂，因为你要类成员函数作为友元，你在声明友元的时候要用类限定符，所以必须先定义包含友元函数的类，但是在定义友元的函数时候，又必须事先定义原始类。通常的做法先定义包含友元函数的类，再定义原始类，这个顺序不能乱。(如果是友元类，则没有这种这种必须)如下面所示：

[cpp] view plaincopy
//A.h  
#pragma once  
#include "B.h"  
class A  
{  
friend int B::func(A xx);  
public:  
    A(void):mx(20),my(30){}  
    ~A(void){}  
private:  
    int mx;  
    int my;  
};  

[cpp] view plaincopy
//B.h  
#pragma once  
class A;  
class B  
{  
public:  
    B(void);  
    ~B(void);  
    int func(A xx);  
};  

[cpp] view plaincopy
//B.cpp  
#include "B.h"  
#include "A.h"  
  
B::B(void)  
{  
}  
B::~B(void)  
{  
}  
int B::func(A xx)  
{  
    return xx.mx * xx.my;  
}  

[cpp] view plaincopy
//main.cpp  
#include "A.h"  
#include "B.h"  
#include <iostream>  
using namespace std;  
void main()  
{  
    A a;  
    B b;  
    cout<<b.func(a)<<endl;  
    system("pause");  
}  

4. 友元不具有相互性，只具有单项性

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。

5. 友元不能被继承

B是A的友元类，C是B的子类，推不出C是A的友元

6. 友元不具有传递性

B是A的友元，C是B的友元，推不出C是A的友元

7. 友元函数的使用技巧

在用C++实现单例模式时，可以利用友元函数实例化对象。然后把类的构造函数和析构函数都设计成私有函数。

[cpp] view plaincopy
class CMySingleton  
{  
public:  
    friend CMySingleton& InstanceMEC();  
  
private:  
    CMySingleton() {};  
    CMySingleton(const CMySingleton &lxSington) {};  
    ~CMySingleton(){};  
};  
  
CMySingleton& InstanceMEC()  
{  
    //因为函数InstanceMEC()是类ClxSingletonMEC的友元函数，所以可以访问类所有的成员函数.所以不会有编译错误  
    static CMySingleton Instance;   
    return Instance;  
}   