C++ 友元(友元函数 && 友元类)

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。

总结:

必须要注意的一点是,友元关系不存在传递性。也就是说,如果B是A的友元,C是B的友元,则C并不能理所当然的具有访问A的私有成员的特权。

此外,友元函数能定义在类的内部,这样的函数时隐式内联的。

类和非成员函数的声明不是必须在它们的友元声明之前。当一个名字第一次出现在一个友元声明中时,我们隐式的假定该名字在当前作用域中是可见的。然而,友元本身不一定真的声明在当前作用域中。

甚至就算在类的内部定义该函数,我们也必须在类的外部提供相应的声明从而使得函数可见。换句话说,即使我们仅仅是用声明友元的类的成员调用该友元函数,它也必须是被声明过的:

struct X{
    friend void f() { /* 友元函数可以定义在类的内部 */}
    X() { f(); }                    // 错误:f还没有被声明
    void g();
    void h();
};
void X::g() { return f(); }         // 错误:f还没有被声明
void f();                           // 声明那个定义在X中的函数
void X::h() { return f(); }         // 正确:现在f的声明在作用域中了

调用友元函数之前一定要先声明友元函数。

关于这段代码最重要的是理解友元声明的作用是影响访问权限,它本身并非普通意义上的声明。

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