C++ 友元函数

C++友元函数是C++面向对象编程中的一个特殊特性，它允许非成员函数访问类的私有（private）和保护（protected）成员。友元函数打破了类的封装性，但在某些场景下能提供更高的灵活性。本文将详细介绍友元函数的定义、语法、应用场景及注意事项。

基本概念

友元函数（Friend Function）是一个非成员函数，但它被声明为类的“朋友”，从而获得访问该类私有和保护成员的权限。友元函数可以是普通函数，也可以是其他类的成员函数（称为友元成员函数）。

友元函数的特性：

• 不属于类的成员函数，但能访问类的私有成员。
• 不受类的访问修饰符（public/private/protected）限制。
• 通常用于需要跨类操作私有数据的场景。

语法

友元函数在类内用`friend`关键字声明，但其定义在类外。

  
class ClassName {  
private:  
    int privateData;  

public:  
    // 声明友元函数  
    friend void friendFunction(ClassName& obj);  
};  

// 定义友元函数（无需作用域运算符::）  
void friendFunction(ClassName& obj) {  
    obj.privateData = 42; // 直接访问私有成员  
}

示例：友元函数操作私有数据

以下代码展示友元函数如何修改类的私有成员：

  
#include <iostream>  

class Box {  
private:  
    double width;  

public:  
    Box(double w) : width(w) {}  

    // 声明友元函数  
    friend void printWidth(Box& box);  
};  

// 定义友元函数  
void printWidth(Box& box) {  
    std::cout << "Box width: " << box.width << std::endl; // 直接访问私有成员  
}  

int main() {  
    Box box(10.0);  
    printWidth(box); // 输出: Box width: 10  
    return 0;  
}

友元函数的实际应用

场景1：运算符重载

友元函数常用于重载运算符，尤其是需要对称性操作的场景（如`operator+`）。

  
class Complex {  
private:  
    double real, imag;  

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

    // 声明友元运算符重载  
    friend Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b);  
};  

// 定义友元运算符  
Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b) {  
    return Complex(a.real + b.real, a.imag + b.imag);  
}  

int main() {  
    Complex c1(1.0, 2.0), c2(3.0, 4.0);  
    Complex c3 = c1 + c2; // 调用友元运算符  
    return 0;  
}

场景2：跨类协作

当多个类需要共享数据时，友元函数可避免暴露私有成员。

  
class Storage; // 前向声明  

class Display {  
public:  
    void show(const Storage& storage);  
};  

class Storage {  
private:  
    int data;  

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

    // 声明Display的成员函数为友元  
    friend void Display::show(const Storage& storage);  
};  

void Display::show(const Storage& storage) {  
    std::cout << "Storage data: " << storage.data << std::endl;  
}

注意事项

• 慎用友元：过度使用会破坏封装性，增加代码耦合度。
• 不可继承：友元关系不传递到派生类。
• 作用域限制：友元函数不属于类，因此不能通过对象调用（如`obj.friendFunction()`是错误的）。

总结

友元函数是C++中一种强大的工具，用于在特定场景下突破封装限制。合理使用可提升代码灵活性，但需注意其潜在的设计风险。

classDiagram class Box { -double width +Box(double w) +friend printWidth(Box&) } class printWidth { +void printWidth(Box&) } Box --|> printWidth : friend