【C++ | 友元(friend)】友元函数、友元类、友元成员函数详解及例子代码

wkd_007 2024-07-07 16:35:01 阅读 98

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🎄一、概述

一般来说，访问私有类成员的唯一方法是使用类方法。C++使用友元(friend)来避开这种限制。

C++的友元是为了解决这样的问题：有时需要类外部的函数来访问私有成员。这个问题在学习C++运算符时就会遇到。

本文主要介绍C++的三种友元实现，以及了解怎样编写自己的友元：

友元函数；友元类；友元成员函数。

在这里插入图片描述

🎄二、友元函数

友元函数：一般是在类内声明为友元(friend)的全局函数。声明后，该函数可以访问类的私有成员。

为什么需要友元函数？

在实现类的二元运算符时，大部分情况可以将运算符函数写成类的成员函数，然后让类的对象作为左操作数去调用该运算符函数，如：<code>CB = CA + 1;。但是，如果需要实现等式CB = 1 + CA，就无法调用该函数，而且这种形式也没法用成员函数去实现。这时就需要在类外部实现该函数，而且该函数还需要访问类的私有成员，而这样的函数只有该类的友元函数。关于这段描述不清楚的可以看下面举例的代码。

怎样声明、定义友元函数？

我们以CDate类为例：

1、将友元函数的原型放在类声明中，并在原型声明前加上关键字 friend；

2、编写友元函数定义，因为它不是类的成员函数，所以不需要加类名作用域。

class CDate

{

friend CDate operator+(int day, const CDate &date);// 友元函数声明

...

};

CDate operator+(int day, const CDate &date)// 友元函数定义

{

CDate temp = date;

temp.m_day += day;

cout << "Calling operator+(int, CDate)" << ", temp=" << &temp << endl;

return temp;

}

友元函数例子完整代码：

// g++ 18_friend_fun.cpp

#include <iostream>

using namespace std;

class CDate

{

friend CDate operator+(int day, const CDate &date);// 友元函数声明

public:

CDate(int year, int mon, int day);// 构造函数声明

CDate(const CDate& date);// 拷贝构造函数声明

CDate operator+(int day);// 加号运算符声明

private:

int m_year;

int m_mon;

int m_day;

};

// 构造函数定义

CDate::CDate(int year, int mon, int day)

{

m_year = year;

m_mon = mon;

m_day = day;

cout << "Calling Constructor" << ", this=" << this <<endl;

}

// 拷贝构造函数定义

CDate::CDate(const CDate& date)

{

m_year = date.m_year;

m_mon = date.m_mon;

m_day = date.m_day;

cout << "Calling Copy Constructor" << ", this=" << this << ", Copy Data" <<endl;code>

}

// 加号运算符定义

CDate CDate::operator+(int day)

{

CDate temp = *this;

temp.m_day += day;

cout << "Calling operator+(int)" << ", this=" << &temp << endl;

return temp;

}

// 友元函数定义

CDate operator+(int day, const CDate &date)

{

CDate temp = date;

temp.m_day += day;

cout << "Calling operator+(int, CDate)" << ", temp=" << &temp << endl;

return temp;

}

int main()

{

CDate date(2024,6,17);

CDate CB = CA + 1;

CB = 1 + CA;// 如果没有实现友元函数，则这句报错

return 0;

}

运行结果如下，可以看到分别调用了operator+(int) 和 operator+(int, CDate) 函数。

 
 
🎄三、友元类
 友元类：一般是在类内声明为友元(friend)的类。声明后，友元类的所有成员函数函数都可以访问类的私有成员。
 
什么时候需要定义友元类？
 假如程序要定义一个 空调类(CAirCond) 和一个 遥控器类(CRemote)，这两个类存在一定的关系，但空调和遥控器显然不是继承的关系。而遥控器又可以改变空调的状态，也就是说 遥控器类 可以访问 空调类 的私有成员。这时就需要将 遥控器类 声明为 空调类 的友元类。
 
怎样声明、定义友元类？

1、在类中使用关键字 <code>friend声明友元类；

2、编写友元类声明和定义；

class CAirCond// 空调

{

friend class CRemote; // 声明友元类

...

};

class CRemote// 遥控器

{

...

};

友元类例子完整代码：

// g++ 18_friend_class.cpp

#include <iostream>

using namespace std;

class CAirCond// 空调

{

friend class CRemote; // 声明友元类

public:

enum{ OFF, ON};

CAirCond(){ state=OFF; temperature=26;}

void setTemperature(int temp){ temperature = temp;}

void show()

{

cout << "air: state=" << (state==ON?"ON":"OFF") << ", temperature=" << temperature << endl;

}

private:

int state;// 开关状态

int temperature;// 温度

};

class CRemote// 遥控器

{

public:

CRemote(int mode=0){ m_mode=mode;}

void AirCondOn(CAirCond &air){ air.state = CAirCond::ON;}

void AirCondOff(CAirCond &air){ air.state = CAirCond::OFF;}

void setTemperature(CAirCond &air, int temp){ air.setTemperature(temp);}

private:

int m_mode;// 0-制冷、1-制热

};

int main()

{

CAirCond airConditioner;

airConditioner.show();

cout << endl;

CRemote remote;

remote.AirCondOn(airConditioner);

airConditioner.show();

cout << endl;

remote.setTemperature(airConditioner,23);

airConditioner.show();

cout << endl;

remote.AirCondOff(airConditioner);

airConditioner.show();

cout << endl;

return 0;

}

运行结果如下：

在这里插入图片描述

🎄四、友元成员函数

友元成员函数：一般是在类内声明为友元(friend)的其他类的成员函数。声明后，友元成员函数可以访问类的私有成员。

什么时候需要定义友元成员函数？

如果某个类只有一两个成员函数需要访问本类的私有成员，可以只是将这一两个成员函数声明为本类的友元成员函数，而不用声明整个类为友元。例如，上个小节的 CRemote类只有两个成员函数会访问 CAirCond类的私有成员，可以只是声明这两个成员函数为 CRemote类的友元。待会会给出这样操作的例子代码。

怎样声明、定义友元成员函数？

友元成员函数的声明、定义会有些复杂，下面以上个小节的 CAirCond 类、CRemote类为例，分三步说明：

1、在 CAirCond类中使用关键字 <code>friend声明友元成员函数，需要加上类名作用域CRemote::；

class CAirCond// 空调

{

friend void CRemote::AirCondOn(CAirCond &air); // 声明友元成员函数

friend void CRemote::AirCondOff(CAirCond &air);

...

};

2、将友元成员函数所属类(CRemote)的完整声明写在本类(CAirCond)的前面，因为使用了友元成员函数所属类的成员，所以需要其完整声明前置，否则会报错。

并且 CRemote类完整声明里不能使用 CAirCond 的成员，否则又需要将 CAirCond 类的完整声明放到 CRemote 类前面，会造成无解的循环，所以只能将上个小节在 CRemote 类声明的一些内联函数移动到类外去实现；

class CRemote// 遥控器

{

public:

CRemote(int mode=0){ m_mode=mode;}

void AirCondOn(CAirCond &air);

void AirCondOff(CAirCond &air);

void setTemperature(CAirCond &air, int temp);

private:

int m_mode;// 0-制冷、1-制热

};

class CAirCond// 空调

{

friend void CRemote::AirCondOn(CAirCond &air); // 声明友元成员函数

friend void CRemote::AirCondOff(CAirCond &air);

...

};

3、将 CAirCond 类声明放在友元成员函数所属类的前面，因为所属类 CRemote 用到了 CAirCond 引用的参数：

class CAirCond;

class CRemote// 遥控器

{

public:

CRemote(int mode=0){ m_mode=mode;}

void AirCondOn(CAirCond &air);

void AirCondOff(CAirCond &air);

void setTemperature(CAirCond &air, int temp);

private:

int m_mode;// 0-制冷、1-制热

};

class CAirCond// 空调

{

friend void CRemote::AirCondOn(CAirCond &air); // 声明友元成员函数

friend void CRemote::AirCondOff(CAirCond &air);

...

};

友元类例子完整代码：

// g++ 18_friend_member_fun.cpp

#include <iostream>

using namespace std;

class CAirCond;

class CRemote// 遥控器

{

public:

CRemote(int mode=0){ m_mode=mode;}

void AirCondOn(CAirCond &air);

void AirCondOff(CAirCond &air);

void setTemperature(CAirCond &air, int temp);

private:

int m_mode;// 0-制冷、1-制热

};

class CAirCond// 空调

{

friend void CRemote::AirCondOn(CAirCond &air); // 声明友元成员函数

friend void CRemote::AirCondOff(CAirCond &air);

public:

enum{ OFF, ON};

CAirCond(){ state=OFF; temperature=26;}

void setTemperature(int temp){ temperature = temp;}

void show()

{

cout << "air: state=" << (state==ON?"ON":"OFF") << ", temperature=" << temperature << endl;

}

private:

int state;// 开关状态

int temperature;// 温度

};

inline void CRemote::AirCondOn(CAirCond &air){ air.state = CAirCond::ON;}

inline void CRemote::AirCondOff(CAirCond &air){ air.state = CAirCond::OFF;}

inline void CRemote::setTemperature(CAirCond &air, int temp){ air.setTemperature(temp);}

int main()

{

CAirCond airConditioner;

airConditioner.show();

cout << endl;

CRemote remote;

remote.AirCondOn(airConditioner);

airConditioner.show();

cout << endl;

remote.setTemperature(airConditioner,23);

airConditioner.show();

cout << endl;

remote.AirCondOff(airConditioner);

airConditioner.show();

cout << endl;

return 0;

}

运行结果如下：

在这里插入图片描述

🎄五、友元的其他关系

✨5.1 让两个类互为友元

有时候类A 需要访问类B 的私有成员，而类B 也需要访问类A 的私有成员，这时可以让这两个类互相成为对方的友元类。我们修改友元那个例子的代码如下，让 CAirCond类、CRemote类互为友元：

<code>// g++ 18_friend_class_each_other.cpp

#include <iostream>

using namespace std;

class CRemote;

class CAirCond// 空调

{

friend class CRemote; // 声明友元类

public:

enum{ OFF, ON};

CAirCond(){ state=OFF; temperature=26;}

void setTemperature(int temp){ temperature = temp;}

void show()

{

cout << "air: state=" << (state==ON?"ON":"OFF") << ", temperature=" << temperature << endl;

}

void setRemoteMode(CRemote &remote, int mode);

private:

int state;// 开关状态

int temperature;// 温度

};

class CRemote// 遥控器

{

friend class CAirCond;

public:

CRemote(int mode=0){ m_mode=mode;}

void AirCondOn(CAirCond &air){ air.state = CAirCond::ON;}

void AirCondOff(CAirCond &air){ air.state = CAirCond::OFF;}

void setTemperature(CAirCond &air, int temp){ air.setTemperature(temp);}

private:

int m_mode;// 0-制冷、1-制热

};

void CAirCond::setRemoteMode(CRemote &remote, int mode){ remote.m_mode=mode;}

int main()

{

CAirCond airConditioner;

airConditioner.show();

cout << endl;

CRemote remote;

remote.AirCondOn(airConditioner);

airConditioner.show();

cout << endl;

remote.setTemperature(airConditioner,23);

airConditioner.show();

cout << endl;

remote.AirCondOff(airConditioner);

airConditioner.show();

cout << endl;

return 0;

}

✨5.2 共同友元

需要使用友元的另一种情况是，函数需要访问两个类的私有数据。从逻辑上看，这样的函数应是每个类的成员函数，但这是不可能的。它可以是一个类的成员，同时是另一个类的友元，但有时将函数作为两个类的友元更合理。下面使用伪代码举例：

class A{

friend void ChangeAB(CA &a, CB &b);

...

}

class B{

friend void ChangeAB(CA &a, CB &b);

...

}

void ChangeAB(CA &a, CB &b)

{

...

}

在这里插入图片描述

🎄六、总结

本文介绍了C++的友元函数、友元类、友元成员函数、其他友元关系，以及使用例子介绍了如何声明、定义、使用。

关于C++的友元又几个注意点：

1、友元的声明仅仅指定了访问的权限，而非一个通常意义上的函数声明。2、友元声明只能出现在类定义的内部，但是在类内出现的具休位置不限。一般，最好在类定义开始或结束前的位置集中声明友元。3、如果类中使用到其他类的成员，则需要将被使用的类的完整声明前置。4、友元不能被继承。

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