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C++友元函數和友元類（C++ friend關鍵字）

在 C++ 中，一個類中可以有 public、protected、private 三種屬性的成員，通過對象可以通路 public 成員，隻有本類中的函數可以通路本類的 private 成員。現在，我們來介紹一種例外情況——友元（friend）。借助友元（friend），可以使得其他類中的成員函數以及全局範圍内的函數通路目前類的 private 成員。

friend 的意思是朋友，或者說是好友，與好友的關系顯然要比一般人親密一些。我們會對好朋友敞開心扉，傾訴自己的秘密，而對一般人會謹言慎行，潛意識裡就自我保護。在 C++ 中，這種友好關系可以用 friend 關鍵字指明，中文多譯為“友元”，借助友元可以通路與其有好友關系的類中的私有成員。如果你對“友元”這個名詞不習慣，可以按原文 friend 了解為朋友。

友元函數

在目前類以外定義的、不屬于目前類的函數也可以在類中聲明，但要在前面加 friend 關鍵字，這樣就構成了友元函數。友元函數可以是不屬于任何類的非成員函數，也可以是其他類的成員函數。

友元函數可以通路目前類中的所有成員，包括 public、protected、private 屬性的。

1) 将非成員函數聲明為友元函數。

請大家直接看下面的例子：

#include <iostream>
using namespace std;

class Student{
public:
    Student(char *name, int age, float score);
public:
    friend void show(Student *pstu);  //将show()聲明為友元函數
private:
    char *m_name;
    int m_age;
    float m_score;
};

Student::Student(char *name, int age, float score): m_name(name), m_age(age), m_score(score){ }

//非成員函數
void show(Student *pstu){
    cout<<pstu->m_name<<"的年齡是 "<<pstu->m_age<<"，成績是 "<<pstu->m_score<<endl;
}

int main(){
    Student stu("小明", 15, 90.6);
    show(&stu);  //調用友元函數
    Student *pstu = new Student("李磊", 16, 80.5);
    show(pstu);  //調用友元函數

    return 0;
}

運作結果：

小明的年齡是 15，成績是 90.6

李磊的年齡是 16，成績是 80.5

show() 是一個全局範圍内的非成員函數，它不屬于任何類，它的作用是輸出學生的資訊。m_name、m_age、m_score 是 Student 類的 private 成員，原則上不能通過對象通路，但在 show() 函數中又必須使用這些 private 成員，是以将 show() 聲明為 Student 類的友元函數。讀者可以親自測試一下，将上面程式中的第 8 行删去，觀察編譯器的報錯資訊。

注意，友元函數不同于類的成員函數，在友元函數中不能直接通路類的成員，必須要借助對象。下面的寫法是錯誤的：

void show(){    cout<<m_name<<"的年齡是 "<<m_age<<"，成績是 "<<m_score<<endl;}

成員函數在調用時會隐式地增加 this 指針，指向調用它的對象，進而使用該對象的成員；而 show() 是非成員函數，沒有 this 指針，編譯器不知道使用哪個對象的成員，要想明确這一點，就必須通過參數傳遞對象（可以直接傳遞對象，也可以傳遞對象指針或對象引用），并在通路成員時指明對象。

2) 将其他類的成員函數聲明為友元函數

friend 函數不僅可以是全局函數（非成員函數），還可以是另外一個類的成員函數。請看下面的例子：

#include <iostream>
using namespace std;

class Address;  //提前聲明Address類

//聲明Student類
class Student{
public:
    Student(char *name, int age, float score);
public:
    void show(Address *addr);
private:
    char *m_name;
    int m_age;
    float m_score;
};

//聲明Address類
class Address{
private:
    char *m_province;  //省份
    char *m_city;  //城市
    char *m_district;  //區（市區）
public:
    Address(char *province, char *city, char *district);
    //将Student類中的成員函數show()聲明為友元函數
    friend void Student::show(Address *addr);
};

//實作Student類
Student::Student(char *name, int age, float score): m_name(name), m_age(age), m_score(score){ }
void Student::show(Address *addr){
    cout<<m_name<<"的年齡是 "<<m_age<<"，成績是 "<<m_score<<endl;
    cout<<"家庭住址："<<addr->m_province<<"省"<<addr->m_city<<"市"<<addr->m_district<<"區"<<endl;
}

//實作Address類
Address::Address(char *province, char *city, char *district){
    m_province = province;
    m_city = city;
    m_district = district;
}

int main(){
    Student stu("小明", 16, 95.5f);
    Address addr("陝西", "西安", "雁塔");
    stu.show(&addr);
   
    Student *pstu = new Student("李磊", 16, 80.5);
    Address *paddr = new Address("河北", "衡水", "桃城");
    pstu -> show(paddr);

    return 0;
}

運作結果：

小明的年齡是 16，成績是 95.5

家庭住址：陝西省西安市雁塔區

李磊的年齡是 16，成績是 80.5

家庭住址：河北省衡水市桃城區

本例定義了兩個類 Student 和 Address，程式第 27 行将 Student 類的成員函數 show() 聲明為 Address 類的友元函數，由此，show() 就可以通路 Address 類的 private 成員變量了。

幾點注意：

① 程式第 4 行對 Address 類進行了提前聲明，是因為在 Address 類定義之前、在 Student 類中使用到了它，如果不提前聲明，編譯器會報錯，提示'Address' has not been declared。類的提前聲明和函數的提前聲明是一個道理。

② 程式将 Student 類的聲明和實作分開了，而将 Address 類的聲明放在了中間，這是因為編譯器從上到下編譯代碼，show() 函數體中用到了 Address 的成員 province、city、district，如果提前不知道 Address 的具體聲明内容，就不能确定 Address 是否擁有該成員（類的聲明中指明了類有哪些成員）。

這裡簡單介紹一下類的提前聲明。一般情況下，類必須在正式聲明之後才能使用；但是某些情況下（如上例所示），隻要做好提前聲明，也可以先使用。

但是應當注意，類的提前聲明的使用範圍是有限的，隻有在正式聲明一個類以後才能用它去建立對象。如果在上面程式的第4行之後增加如下所示的一條語句，編譯器就會報錯：

Address addr; //企圖使用不完整的類來建立對象

因為建立對象時要為對象配置設定記憶體，在正式聲明類之前，編譯器無法确定應該為對象配置設定多大的記憶體。編譯器隻有在“見到”類的正式聲明後（其實是見到成員變量），才能确定應該為對象預留多大的記憶體。在對一個類作了提前聲明後，可以用該類的名字去定義指向該類型對象的指針變量（本例就定義了 Address 類的指針變量）或引用變量（後續會介紹引用），因為指針變量和引用變量本身的大小是固定的，與它所指向的資料的大小無關。

③ 一個函數可以被多個類聲明為友元函數，這樣就可以通路多個類中的 private 成員。

友元類

不僅可以将一個函數聲明為一個類的“朋友”，還可以将整個類聲明為另一個類的“朋友”，這就是友元類。友元類中的所有成員函數都是另外一個類的友元函數。

例如将類 B 聲明為類 A 的友元類，那麼類 B 中的所有成員函數都是類 A 的友元函數，可以通路類 A 的所有成員，包括 public、protected、private 屬性的。

更改上例的代碼，将 Student 類聲明為 Address 類的友元類：

#include <iostream>
using namespace std;

class Address;  //提前聲明Address類

//聲明Student類
class Student{
public:
    Student(char *name, int age, float score);
public:
    void show(Address *addr);
private:
    char *m_name;
    int m_age;
    float m_score;
};

//聲明Address類
class Address{
public:
    Address(char *province, char *city, char *district);
public:
    //将Student類聲明為Address類的友元類
    friend class Student;
private:
    char *m_province;  //省份
    char *m_city;  //城市
    char *m_district;  //區（市區）
};

//實作Student類
Student::Student(char *name, int age, float score): m_name(name), m_age(age), m_score(score){ }
void Student::show(Address *addr){
    cout<<m_name<<"的年齡是 "<<m_age<<"，成績是 "<<m_score<<endl;
    cout<<"家庭住址："<<addr->m_province<<"省"<<addr->m_city<<"市"<<addr->m_district<<"區"<<endl;
}

//實作Address類
Address::Address(char *province, char *city, char *district){
    m_province = province;
    m_city = city;
    m_district = district;
}

int main(){
    Student stu("小明", 16, 95.5f);
    Address addr("陝西", "西安", "雁塔");
    stu.show(&addr);
   
    Student *pstu = new Student("李磊", 16, 80.5);
    Address *paddr = new Address("河北", "衡水", "桃城");
    pstu -> show(paddr);

    return 0;
}

第 24 行代碼将 Student 類聲明為 Address 類的友元類，聲明語句為：

friend class Student;

有的編譯器也可以不寫 class 關鍵字，不過為了增強相容性還是建議寫上。

關于友元，有兩點需要說明：

  • 友元的關系是單向的而不是雙向的。如果聲明了類 B 是類 A 的友元類，不等于類 A 是類 B 的友元類，類 A 中的成員函數不能通路類 B 中的 private 成員。
  • 友元的關系不能傳遞。如果類 B 是類 A 的友元類，類 C 是類 B 的友元類，不等于類 C 是類 A 的友元類。

除非有必要，一般不建議把整個類聲明為友元類，而隻将某些成員函數聲明為友元函數，這樣更安全一些。

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