c++ 友元函数 友元类

1. 友元函数

1.1 简介

友元函数是在类的声明中声明的非成员函数，它被授予访问类的私有成员的权限。这意味着友元函数可以访问类的私有成员变量和私有成员函数，即使它们不是类的成员。
一个类中，可以将其他类或者函数声明为该类的友元，使得这些友元函数能够访问该类的私有成员和受保护成员。

1.2 特点

1. 友元函数可以直接访问类的私有成员和受保护成员，包括私有成员变量和私有成员函数，无需通过对象或者类的接口来访问。
2. 友元函数在声明时需要在类内部进行声明，并使用关键字 friend 进行修饰。但它不是类的成员函数，因此它在类的作用域之外定义和实现
3. 友元关系是单向的：如果A是B的友元，那么B不一定是A的友元。
4. 不继承权限，友元函数的权限仅限于声明它的类，而不会被派生类继承。

1.3 使用场景

1. 访问私有成员
   当需要在某个外部函数中直接访问一个类的私有成员时，可以将该函数声明为友元函数。

#include 

class MyClass {
private:
    int privateData;

public:
    MyClass(int data) : privateData(data) {}

    friend void printPrivateData(const MyClass& obj);
};

void printPrivateData(const MyClass& obj) {
    std::cout << "Private data: " << obj.privateData << std::endl;
}

int main() {
    MyClass obj(42);
    printPrivateData(obj);  // 调用友元函数访问私有成员

    return 0;
}

2. 实现操作符重载

#include 

class Complex {
private:
    double real;
    double imaginary;

public:
    Complex(double r, double i) : real(r), imaginary(i) {}

    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& obj);
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Complex& obj) {
    os << obj.real << " + " << obj.imaginary << "i";
    return os;
}

int main() {
    Complex c(3.5, 2.5);
    std::cout << "Complex number: " << c << std::endl;  // 使用友元函数重载输出操作符

    return 0;
}

声明了一个友元函数operator<<，用于重载输出操作符<<，以便能够以自定义的方式打印Complex类的对象。在main函数中，我们创建了一个Complex对象c，并使用std::cout和友元函数operator<<来打印该对象的值。
3. 提供类之间的非成员函数接口
如果两个类之间需要共享信息或者互相调用对方的非公开成员，可以使用友元关系。

#include 

class ClassB;

class ClassA {
private:
    int data;

public:
    ClassA(int d) : data(d) {}

    friend void processData(const ClassA& objA, const ClassB& objB);
};

class ClassB {
private:
    int data;

public:
    ClassB(int d) : data(d) {}

    friend void processData(const ClassA& objA, const ClassB& objB);
};

void processData(const ClassA& objA, const ClassB& objB) {
    std::cout << "Data from ClassA: " << objA.data << std::endl;
    std::cout << "Data from ClassB: " << objB.data << std::endl;
}

int main() {
    ClassA objA(42);
    ClassB objB(24);
    processData(objA, objB);  // 调用友元函数处理两个类的数据

    return 0;
}

定义了两个类ClassA和ClassB，并在它们之间声明了一个友元函数processData。这个函数可以访问ClassA和ClassB的私有成员变量，并在函数中处理这些数据。在main函数中，我们创建了一个ClassA对象objA和一个ClassB对象objB，然后调用友元函数processData来处理这两个类的数据。

1.4 注意

1. 友元关系破坏了封装性原则，因此应谨慎使用。过度依赖友元关系可能会导致代码不易维护和扩展。
2. 友元关系没有继承性质，只限于被声明为友元的类或者函数能够访问相应的成员。

2. 友元类

2.1 简介

C++中的友元类（friend class）是指一个类可以将另一个类声明为友元，从而允许友元类访问其私有成员。

2.2 特点

1. 友元关系是单向的：如果类A是类B的友元，则只有类B能够访问类A的私有和保护成员，反之则不成立。
2. 友元关系不可传递：即使类A是类B的友元，而类B又是类C的友元，但并不能推导出类A是类C的友元。
3. 友元关系没有继承性：即使派生类继承了基类，基类中声明为友元的其他类并不会自动成为派生类的友元。

2.3 使用场景

1. 信息封装：当一个类需要将其私有成员暴露给另一个类以实现特定功能时，可以将另一个类声明为友元类。这样，友元类就可以直接访问声明它的类的私有成员，从而实现类之间的信息封装。
2. 成员访问优化：有时候，多个类之间需要频繁访问彼此的私有成员，而不希望通过公有接口进行访问。在这种情况下，可以将这些类声明为友元类，以提高成员访问的效率。

代码：

class FriendClass {
private:
    int privateData;

public:
    FriendClass(int data) : privateData(data) {}

    friend class MyClass;
};

class MyClass {
public:
    void accessFriendData(const FriendClass& obj) {
        int data = obj.privateData;  // 友元类可以访问FriendClass的私有成员
    }
};

int main() {
    FriendClass obj(42);
    MyClass myObj;
    myObj.accessFriendData(obj);  // MyClass通过友元类访问FriendClass的私有成员

    return 0;
}

上述示例中，定义了两个类FriendClass和MyClass。FriendClass将MyClass声明为友元类，从而允许MyClass访问FriendClass的私有成员变量privateData。在MyClass中，我们定义了一个成员函数accessFriendData，它通过友元类的权限访问FriendClass的私有成员。在main函数中，创建了FriendClass的对象obj和MyClass的对象myObj，并通过myObj调用accessFriendData来访问FriendClass的私有成员。

两个代码互为友元，代码：

#include 

using namespace std;

class B; // 前向声明

class A {
private:
    int privateDataA;
public:
    A() : privateDataA() {};

    friend class B; // 声明B为A的友元类

    void displayPrivateData(const B& b);
};

class B {
private:
    int privateDataB;
public:
    B() : privateDataB(10) {};

    friend class A; // 声明A为B的友元类

    void setPrivateData( A & a, int data) {
        a.privateDataA = data; // 可以直接访问A中的私有成员
        cout << "Successfully set private data of A from B: " << a.privateDataA << endl;
    }
};

void A::displayPrivateData(const B & b) {
    cout << "Accessing private data of B from A: " << b.privateDataB << endl;
}

int main() {
    A a;
    B b;

    b.setPrivateData(a, 42); // 通过B类的成员函数修改A类的私有成员数据
    a.displayPrivateData(b); // 通过A类的成员函数访问B类的私有成员数据

    return 0;
}

运行结果：

Successfully set private data of A from B: 42
Accessing private data of B from A: 10

A和B是两个类。通过将彼此声明为友元类，它们可以直接访问对方的私有成员。在主函数中，我们创建了一个A对象a和一个B对象b，并使用友元函数setPrivateData从b中修改了a的私有成员数据，并使用友元函数displayPrivateData从a中访问了b的私有成员数据。