【C++】友元函数和友元类（作用及优缺点）

一、友元函数

结合着类的特性，可知：类具有封装和信息隐藏的特性。只有类的成员函数才能访问类的私有成员，程序中的其他函数是无法访问私有成员的。非成员函数可以访问类中的公有成员，但是如果将数据成员都定义为公有的，这又破坏了隐藏的特性。另外，应该看到在某些情况下，特别是在对某些成员函数多次调用时，由于参数传递，类型检查和安全性检查等都需要时间开销，而影响程序的运行效率。

为了解决上述问题，提出一种使用友元的方案。友元是一种定义在类外部的普通函数，但它需要在类体内进行声明，为了与该类的成员函数加以区别，在声明时前面加以关键字friend。友元不是成员函数，但是它可以访问类中的私有成员。友元的作用在于提高程序的运行效率，但是，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。

案例分析：

问题：现在我们尝试去重载operator<<，然后发现我们没办法将operator<<重载成成员函数。因为cout的输出流对象和隐含的this指针在抢占第一个参数的位置。this指针默认是第一个参数也就是左操作数了。但是实际使用中cout需要是第一个形参对象，才能正常使用。所以我们要将operator<<重载成全局函数。但是这样的话，又会导致类外没办法访问成员，那么这里就需要友元来解决。operator>>同理。

class Date
{
    friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
    friend istream& operator>>(istream& _cin, const Date& d);
public:
    Date(int year, int month, int day): _year(year), _month(month), _day(day)
    {}

prvate:
    int _year;
    int _month;
    int _day
};

ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
    _cout<<d._year<<"-"<<d._month<<"-"<<d._day;
    return _cout;
}

istream& operator>>(istream& _cin, const Date& d)
{
    _cin>>d._year;
    _cin>>d._month;
    _cin>>d._day;
    return _cin;
}

int main()
{
    Date d;
    cin>>d;
    cout<<d<<endl;
    return 0;
}

【说明】

友元函数可访问类的私有成员，但不是类的成员函数
友元函数不能用const修饰
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
一个函数可以是多个类的友元函数
友元函数的调用与普通函数的调用和原理相同

二、友元类

友元除了友元函数以外，友元还可以是类——友元类，即一个类可以作另一个类的友元。当一个类作为另一个类的友元时，这就意味着这个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非公有成员。

特性：

友元关系是单向的，不具有交换性。

比如上述Time类和Date类，在Time类中声明Date类为其友元类，那么可以在Date类中直接访问Time类的私有成员变量，但想在Time类中访问Date类中私有的成员变量则不行。

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友元关系不能传递

如果B是A的友元，C是B的友元，则不能说明C时A的友元。

友元关系不能被继承，但对已有的方法来说访问权限不改变。

class Date; // 前置声明
class Time
{
    friend class Date; 
    // 声明日期类为时间类的友元类，则在日期类中就直接访问Time类中的私有成员变量
public:
    Time(int hour, int minute, int second): _hour(hour), _minute(minute), _second(second)
    {}

private:
    int _hour;
    int _minute;
    int _second;
};

class Date
{
public:
    Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1): _year(year),                                     
    _month(month),_day(day)
    {}
    void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second)
    {
        // 直接访问时间类私有的成员变量
        _t._hour = hour;
        _t._minute = minute;
        _t.second = second;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
    Time _t;
};

三、友元的优缺点

利用 friend 修饰符，可以让一些普通函数或另一个类的成员函数直接对某个类的保护成员和私有成员进行操作，提高了程序的运行效率；同时避免把类的成员都声明为public，最大限度地保护数据成员的安全。

但是，即使是最大限度地保护数据成员，友元也破坏了类的封装性。

如果将类的封装比喻成一堵墙的话，那么友元机制就像墙上开了一个门。所以使用友元时一定要慎重。