C++学习笔记-友元函数的定义与使用

一、引言

在C++中，友元函数（Friend Function）是一个独特而强大的特性，它打破了类的封装性，允许一个或多个非成员函数访问类的私有（private）和保护（protected）成员。尽管这种特性在某些情况下可能引发争议，因为它违反了面向对象编程中的封装原则，但在需要高效访问类内部状态或实现某些特定设计时，友元函数却又非常适用。

1.1 封装与友元函数的关系

在面向对象编程（OOP）中，封装是一种将数据（属性）与操作这些数据的函数（方法）绑定在一起的方法。封装的主要目的是隐藏类的内部实现细节，只对外提供有限的接口供外部使用。然而，在某些情况下，我们可能希望允许某些特定的非成员函数访问类的私有成员。这时，友元函数就显得尤为重要了。

1.2 友元函数的概念

友元函数不是类的成员函数，但它可以访问类的所有私有（private）和保护（protected）成员。要使一个函数成为类的友元，需要在类定义中声明该函数为友元。友元函数可以是普通函数，也可以是其他类的成员函数。

二、友元函数的定义与使用

2.1 定义友元函数

在类定义中，使用friend关键字可以声明一个或多个友元函数。友元函数的声明可以放在类的任何位置（但通常放在类定义的开始部分），但它们的定义（实现）必须在类定义之外进行。

示例：

#include <iostream>  class MyClass {  
private:  int value;  public:  MyClass(int val) : value(val) {}  // 声明友元函数  friend void printValue(const MyClass& obj);  
};  // 定义友元函数  
void printValue(const MyClass& obj) {  std::cout << "Value: " << obj.value << std::endl;  
}  int main() {  MyClass myObj(10);  printValue(myObj); // 输出: Value: 10  return 0;  
}

在上面的示例中，printValue函数被声明为MyClass的友元函数，因此它可以访问MyClass对象的私有成员value。

2.2 友元函数的特性

非成员函数：友元函数不是类的成员函数，因此它不会隐式地接收类的this指针。
访问权限：友元函数可以访问类的所有成员，包括私有和保护成员。
作用域：友元函数的作用域不是类的作用域，而是定义它的作用域。但是，它可以通过类的对象来访问类的成员。
数量不限：一个类可以有任意数量的友元函数。
不继承：友元关系不是继承的。如果类B是类A的友元，那么类B的子类不会自动成为类A的友元。

2.3 友元成员函数

除了普通函数外，类的成员函数也可以被声明为其他类的友元函数。这允许一个类的成员函数访问另一个类的私有成员。

示例：

#include <iostream>  class MyClassB; // 前向声明  class MyClassA {  
private:  int value;  public:  MyClassA(int val) : value(val) {}  // 声明MyClassB的成员函数为友元  friend void MyClassB::printValue(const MyClassA& obj);  
};  class MyClassB {  
public:  void printValue(const MyClassA& obj) {  std::cout << "Value from MyClassA: " << obj.value << std::endl;  }  
};  int main() {  MyClassA myObjA(20);  MyClassB myObjB;  myObjB.printValue(myObjA); // 输出: Value from MyClassA: 20  return 0;  
}

注意，在声明友元成员函数时，需要先对目标类进行前向声明，因为编译器在解析MyClassA的类定义时需要知道MyClassB是一个类名。

三、友元函数的使用场景

3.1. 重载操作符

友元函数最常见的用途之一是用于重载操作符，特别是当操作符需要访问类的私有或保护成员时。例如，在自定义的复数类（Complex）中，你可能想要重载<<操作符以便能够直接将复数对象输出到流中。由于输出操作需要访问复数对象的实部和虚部（这些通常是私有成员），因此将<<操作符定义为复数类的友元函数是一个很好的选择。

3.2. 辅助函数

有时，我们可能需要一些辅助函数来帮助实现类的功能，但这些函数并不适合作为类的成员函数。例如，如果有一个表示二维图形的类（如圆形或矩形），我们可能需要一个函数来计算两个图形是否相交。这样的函数可能需要访问图形的私有成员（如中心坐标和半径或边界），但将这些功能作为类的成员函数可能并不合适，因为它们并不是图形对象本身的操作。这时，可以将这些辅助函数声明为类的友元函数。