C++ —— 友元，内部类以及cin cout重载的实现

友元

在C++中，我们使用类对数据进行了隐藏和封装，类的数据成员一般都定义为私有成员，成员函数一般都定义为公有的，以此提供类与外界的通讯接口。但是，有时需要定义一些函数，这些函数不是类的一部分，但又需要频繁地访问类的数据成员，这时可以将这些函数定义为该函数的友元函数。除了友元函数外，还有友元类，两者统称为友元。

作用: 提高了程序的运行效率（即减少了类型检查和安全性检查等都需要时间开销），但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
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

特性：

1. 友元函数不能用const修饰
2. 友元函数可以在类定义的任何地方声明，不受类访问限定符限制
3. 一个函数可以是多个类的友元函数
4. 友元函数的调用与普通函数的调用和原理相同

友元类
友元类的所有成员函数都是另一个类的友元函数，都可以访问另一个类中的隐藏信息（包括私有成员和保护成员）当希望一个类可以存取另一个类的私有成员时，可以将该类声明为另一类的友元类。

  class A
      {
     
             …
      public:
             friend class B;
             …
      };

内部类

如果一个类定义在另一个类的内部，这个内部类就叫做内部类。

内部类是一个独立的类，它不属于外部类，更不能通过外部类的对象去调用内部类。外部类对内部类没有任何优越的访问权限。

注意：
==内部类就是外部类的友元类。==注意友元类的定义，内部类可以通过外部类的对象参数来访问外部类中的所有成员。但是外部类不是内部类的友元。

内部类和友元类的存储并不和原来的类有什么牵扯，当我们sizeof的时候只是求原来类的大小。

C++中重载输入cin和输出cout运算符

在C++中，标准库本身已经对左移运算符<<和右移运算符>>分别进行了重载，使其能够用于不同数据的输入输出，但是输入输出的对象只能是 C++内置的数据类型（例如 bool、int、double 等）和标准库所包含的类类型（例如 string、complex、ofstream、ifstream 等）。如果自己定义了一种新的数据类型，需要用输入输出运算符去处理，那么就必须对它们进行重载。本节以complex类为例来演示输入输出运算符的重载。
本节要达到的目标是让复数的输入输出和int、float等基本类型一样简单。
假设num1、num2是复数:

    cout << num1 << num2 << endl;  // 输出形式
    cin >> num1 >> num2 << endl;   // 输入形式

cout是ostream类的对象，cin是istream类的对象，要想达到这个目标，就必须以全局函数（友元函数）的形式重载<<和>>，否则就要修改标准库中的类，这显然不是我们所期望的。

重载输入运算符>>

以全局函数的形式重载>>，使它能够读入两个double类型的数据，并分别赋值给复数的实部和虚部：

    istream & operator>> (istream &in, complex &A);{
     
        in >> A.real >> A.imag;
        return in;
    }

istream表示输入流，cin是istream类的对象，只不过这个对象是在标准库中定义的。之所以返回 istream类对象的引用，是为了能够连续读取复数，让代码书写更加漂亮，例如：

   complex c1, c2;
   cin>>c1>>c2;

如果不返回引用，那就只能一个一个地读取了：

  complex c1, c2;
  cin>>c1;
  cin>>c2;

注意：运算符重载函数中用到了complex类的private 成员变量，必须在complex类中将该函数声明为友元函数，如下例所示:

friend istream & operator>> (istream &in, complex &A);

重载输出运算符<<

同样地，也可以模仿上面的形式对输出运算符>>进行重载，让它能够输出复数，请看下面的代码：

  ostream & operator<< (ostream &out, complex &A){
     
      out << A.real << "+" << A.imag << "i" << endl;
      return out;
  }

ostream表示输出流，cout是ostream类的对象。由于采用了引用的方式进行参数传递，并且也返回了对象的引用，所以重载后的运算符可以实现连续输出。

为了能够直接访问complex类的private成员变量，同样需要将该函数声明为complex类的友元函数：
friend ostream & operator<< (ostream &out, complex &A);

综合实例如下:

    #include "iostream"

    using namespace std;

    class complex
    {
     
    public:
        complex(double a = 0.0, double b = 0.0) : real(a), img(b){
     };

    public:
        friend complex operator+(const complex &A, const complex &B);
        friend complex operator-(const complex &A, const complex &B);
        friend complex operator*(const complex &A, const complex &B);
        friend complex operator/(const complex &A, const complex &B);
        friend istream &operator>>(istream &in, complex &A);
        friend ostream &operator<<(ostream &out, complex &A);

    private:
        double real;
        double img;
    };

    // 重载加法运算符
    complex operator+(const complex &A, const complex &B)
    {
     
        complex C;
        C.real = A.real + B.real;
        C.img = A.img + B.img;
        return C;
    }
    // 重载减法运算符
    complex operator-(const complex &A, const complex &B)
    {
     
        complex C;
        C.real = A.real - B.real;
        C.img = A.img - B.img;
        return C;
    }

    // 重载乘法运算符
    complex operator*(const complex &A, const complex &B)
    {
     
        complex C;
        C.real = A.real * B.real - A.img * B.img;
        C.img = A.img * B.real + A.real * B.img;
        return C;
    }

    // 重载除法运算符
    complex operator/(const complex &A, const complex &B)
    {
     
        complex C;
        double square = A.real * A.real + A.img * A.img;
        C.real = (A.real * B.real + A.img * B.img) / square;
        C.img = (A.img * B.real - A.real * B.img) / square;
        return C;
    }

    // 重载输入运算符
    istream &operator>>(istream &in, complex &A)
    {
     
        in >> A.real >> A.img;
        return in;
    }

    // 重载输出运算符
    ostream &operator<<(ostream &out, complex &A)
    {
     
        out << A.real << " + " << A.img << "i";
        return out;
    }

    int main()
    {
     
        complex c1, c2, c3;
        cin >> c1 >> c2;

        c3 = c1 + c2;
        cout << "c1 + c2 = " << c3 << endl;

        c3 = c1 - c2;
        cout << "c1 - c2 = " << c3 << endl;

        c3 = c1 * c2;
        cout << "c1 * c2 = " << c3 << endl;

        c3 = c1 / c2;
        cout << "c1 / c2 = " << c3 << endl;

        return 0;
    }