C++友元函數和友元類(C++ friend)詳解

2020-07-16 10:04:20
私有成員只能在類的成員函數內部存取,如果想在別處存取物件的私有成員,只能通過類提供的介面(成員函數)間接地進行。這固然能夠帶來資料隱藏的好處,利於將來程式的擴充,但也會增加程式書寫的麻煩。

C++ 是從結構化的C語言發展而來的,需要照顧結構化設計程式設計師的習慣,所以在對私有成員可存取範圍的問題上不可限制太死。

C++ 設計者認為, 如果有的程式設計師真的非常怕麻煩,就是想在類的成員函數外部直接存取物件的私有成員,那還是做一點妥協以滿足他們的願望為好,這也算是眼前利益和長遠利益的折中。因此,C++ 就有了友元(friend)的概念。打個比方,這相當於是說:朋友是值得信任的,所以可以對他們公開一些自己的隱私。

友元分為兩種:友元函數和友元類。

友元函數

在定義一個類的時候,可以把一些函數(包括全域性函數和其他類的成員函數)宣告為“友元”,這樣那些函數就成為該類的友元函數,在友元函數內部就可以存取該類物件的私有成員了。

將全域性函數宣告為友元的寫法如下:

friend  返回值型別  函數名(參數列);

將其他類的成員函數宣告為友元的寫法如下:

friend  返回值型別  其他類的類名::成員函數名(參數列);

但是,不能把其他類的私有成員函數宣告為友元。

關於友元,看下面的程式範例。
#include<iostream>
using namespace std;
class CCar;  //提前宣告CCar類,以便後面的CDriver類使用
class CDriver
{
public:
    void ModifyCar(CCar* pCar);  //改裝汽車
};
class CCar
{
private:
    int price;
    friend int MostExpensiveCar(CCar cars[], int total);  //宣告友元
    friend void CDriver::ModifyCar(CCar* pCar);  //宣告友元
};
void CDriver::ModifyCar(CCar* pCar)
{
    pCar->price += 1000;  //汽車改裝後價值增加
}
int MostExpensiveCar(CCar cars[], int total)  //求最貴氣車的價格
{
    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;
}
這個程式只是為了展示友元的用法,所以 main 函數什麼也不做。

第 3 行宣告了 CCar 類,CCar 類的定義在後面。之所以要提前宣告,是因為 CDriver 類的定義中用到了 CCar 型別(第7行),而此時 CCar 類還沒有定義,編譯會報錯。

不要第 3 行,而把 CCar 類的定義寫在 CDriver 類的前面,是解決不了這個問題的,因為 CCar 類中也用到了 CDriver 型別(第14行),把 CCar 類的定義寫在前面會導致第 14 行的 CDriver 因沒有定義而報錯。C++ 為此提供的解決辦法是:可以簡單地將一個類的名字提前宣告,寫法如下:

class  類名;

儘管可以提前宣告,但是在一個類的定義出現之前,仍然不能有任何會導致該類物件被生成的語句。但使用該類的指標或參照是沒有問題的。

第 13 行將全域性函數 MostExpensiveCar 宣告為 CCar 類的友元,因此在第 24 行可以存取 cars[i] 的私有成員 price。同理,第 14 行將 CDriver 類的 ModifyCar 成員函數宣告為友元,因此在第 18 行可以存取 pCar 指標所指向的物件的私有成員變數 price。

友元類

一個類 A 可以將另一個類 B 宣告為自己的友元,類 B 的所有成員函數就都可以存取類 A 物件的私有成員。在類定義中宣告友元類的寫法如下:

friend  class  類名;

來看如下例程:
class CCar
{
private:
    int price;
    friend class CDriver;  //宣告 CDriver 為友元類
};
class CDriver
{
public:
    CCar myCar;
    void ModifyCar()  //改裝汽車
    {
        myCar.price += 1000;  //因CDriver是CCar的友元類,故此處可以存取其私有成員
    }
};
int main()
{
    return 0;
}
第 5 行將 CDriver 宣告為 CCar 的友元類。這條語句本來就是在宣告 CDriver 是一個類,所以 CCar 類定義前面就不用宣告 CDriver 類了。第 5 行使得 CDriver 類的所有成員函數都能存取 CCar 物件的私有成員。如果沒有第 5 行,第 13 行對 myCar 私有成員 price 的存取就會導致編譯錯誤。

一般來說,類 A 將類 B 宣告為友元類,則類 B 最好從邏輯上和類 A 有比較接近的關係。例如上面的例子,CDriver 代表司機,CCar 代表車,司機擁有車,所以 CDriver 類和 CCar 類從邏輯上來講關係比較密切,把 CDriver 類宣告為 CCar 類的友元比較合理。

友元關係在類之間不能傳遞,即類 A 是類 B 的友元,類 B 是類 C 的友元,並不能匯出類 A 是類 C 的友元。“咱倆是朋友,所以你的朋友就是我的朋友”這句話在 C++ 的友元關係上 不成立。