C++:友元
前言:友元对于我来说一直是一个难点,最近看了一些有关友元的课程与博客,故在此将自己的学习收获做一个简单的总结
一、什么是友元
在C++的自定义类中,一个常规的成员函数声明往往意味着:
• 该成员函数能够访问其所在类的私有部分
• 该成员函数位于其所在类的作用域之中
• 该成员函数必须由一个对象去激活从而被调用(通过this指针来实现)
如果将一个函数声明为另一个类的友元,则可以使该函数只具有上面的第一个特性,即可以使该函数访问类中的私有部分。
友元函数的语法:friend+普通函数声明
友元类的语法: friend+类名(不是对象名)
友元成员函数的语法:friend+成员函数的声明
[注]:如果将类A声明为类B的友元类,则类A中的所有成员函数都可以访问类B的私有部分,即类A中的成员函数都是类B的友元函数。
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std; 5 class Student;
6 void show(Student &);//一个函数或类在类中被声明为友元时,其在类外必须要有声明!
class Student{
public:
9 friend void show(Student &);//将函数show声明为类Student的友元函数
Student()=default;
Student(string name,int age):Name(name),Age(age){}
private:
string Name;
int Age;
}; 17 void show(Student &stu){
18 cout<<"Name:"<<stu.Name<<endl;
19 cout<<"Age:"<<stu.Age<<endl;
20 }
int main(){
Student stu("Tomwenxing",);
show(stu);
return ;
}
特别注意:
1.友元函数不是类的成员函数。和一般函数相比友元函数可以访问类中的所有成员,而一般函数只能访问类中的非公有成员
2.友元函数不受类中的访问权限关键字的限制,因此可以把友元函数或友元类的声明放在类的任意位置(不管该位置是公有、私有还是受保护),其结果是相同的(建议将友元函数或友元类的声明放在类定义最开始的地方)
3.友元函数的作用域并非其声明所在类的作用域。如果友元函数是另一个类的成员函数,则其作用域和另一个类的作用域;否则该友元函数的作用域和一般函数的作用域相同
二、为什么使用友元
1.使用友元可以实现类之间的数据共享,减少系统的开销,提高效率
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std; 5 class Age;//声明类
class Name{
public:
8 friend Age;//将类Age声明为类Name的友元类
Name()=default;
Name(string name){
this->name=name;
}
void show1(const Age&);
private:
string name;
}; class Age{
public:
20 friend Name;//将类Name声明为类Age的友元类
Age()=default;
Age(int age){
this->age=age;
}
void show2(const Name&);
private:
int age;
};
void Name::show1(const Age& age){
cout<<"调用类Name中的成员函数show1"<<endl;
cout<<"Name:"<<name<<endl;
cout<<"Age:"<<age.age<<endl;
}
void Age::show2(const Name& name){
cout<<"调用类Age中的成员函数show2"<<endl;
cout<<"Name:"<<name.name<<endl;
cout<<"Age:"<<age<<endl;
} int main(){
Name name("Tomwenxing");
Age age();
name.show1(age);
cout<<"------------分界线----------------"<<endl;
age.show2(name);
return ;
}
上例中Name类和Age类互为友元类,从而实现了类Age和类Name之间的数据共享。
2.运算符重载的某些场合需要使用友元
Example 1:重载+号时利用友元实现“加法的交换律”
先来看一个有关复数加法的例子:
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std; 5 class Complex;//对类Comple进行声明
class Complex{
public:
Complex():real(),img(){} //默认构造函数
Complex(int r,int i):real(r),img(i){} //带参数的构造函数
void show(){ //打印复数
cout<<"("<<real<<","<<img<<")"<<endl;
}
13 Complex operator+(const Complex &c){ //对+进行重载
14 return Complex(real+c.real,img+c.img);
15 }
16 Complex operator+(const int &value){
17 return Complex(real+value,img);
18 }
private:
int real; //复数实部
int img; //复数虚部
}; int main(){
Complex c1(,);
Complex c2(,);
27 Complex sum1=c1+c2;
sum1.show();
29 Complex sum2=c1+10;
sum2.show();
return ;
}
上例中Comple对象和Complex对象或int型整数的加法本质上是调用类中的成员函数,即语句sum1=c1+c2等价于sum1=c1.operator+(c2),语句sum2=c1+10等价于sum2=c1.operator+(10) ,因此这两条语句可以在系统中可以顺利执行。但如果main函数中出现如下语句时,编译器会报错:
1 Comple sum3=10+c1; //错误!
2 sum3.show();
这是由于10是int型整数而非Complex类的对象,因而无法调用类中的成员函数operator+()来完成Complex对象和int型整数的加法,换句话说就是如果仅仅在类中对+进行重载是无法使对象在和int型整数进行加法时满足加法的交换律。这时候如果想解决这个问题,就需要借助友元的力量了,如下:
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std; 5 class Complex;//对类Comple进行声明
6 Complex operator+(const int&,const Complex&); //对函数进行声明
class Complex{
public:
9 friend Complex operator+(const int&,const Complex&);
Complex():real(),img(){} //默认构造函数
Complex(int r,int i):real(r),img(i){} //带参数的构造函数
void show(){ //打印复数
cout<<"("<<real<<","<<img<<")"<<endl;
}
Complex operator+(const Complex &c){ //对+进行重载
16 return Complex(real+c.real,img+c.img);
17 }
18 Complex operator+(const int &value){
19 return Complex(real+value,img);
20 }
private:
int real; //复数实部
int img; //复数虚部
}; 26 Complex operator+(const int &value,const Complex &c){
27 return Complex(value+c.real,c.img);
28 }
int main(){
Complex c(,);
Complex sum1=c+10;
sum1.show();
cout<<"----------分界线-------------"<<endl;
Complex sum2=10+c;
sum2.show();
return ;
}
此时语句sum2=10+c相当于sum2=operator+(10,c),从而实现了加法的交换律
Example 2:对>>和<<的重载
我们希望对>>和<<进行重载,从而使Comple对象可以直接使用cout和cin。那么只在类中对运算符>>和<<进行重载是否可以?我们可以先来试一下:
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std; class Complex{
public:
Complex():real(),img(){} //默认构造函数
Complex(int r,int i):real(r),img(i){} //带参数的构造函数
void show(){ //打印复数
cout<<"("<<real<<","<<img<<")"<<endl;
}
12 ostream& operator<<(ostream &out) const{
13 out<<"("<<real<<","<<img<<")";
14 return out;
15 }
16 istream& operator>>(istream &in){
17 in>>real>>img;
18 return in;
19 }
private:
int real; //复数实部
int img; //复数虚部
}; int main(){
Complex c;
cout<<"请输入复数:";
28 c>>cin; //输入复数
29 c<<cout;//输出对象
return ;
}
由上面的例子可以看出其实是可以的,但由于对运算符>>和<<的使用本质上是对类中成员函数的调用,因此完成对复数进行输入操作的语句是c>>cin(相当于c.operator>>(cin)),而完成对复数进行输出操作的语句时c<<out(相当于c.operator<<(cout)),但这和我们平时的操作习惯有很大不同,并且可读性也很差。为了解决这个问题,我们需要借助友元的力量:
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std; 5 class Complex;//声明类
6 ostream& operator<<(ostream&,const Complex&);//声明函数
7 istream& operator>>(istream&,Complex&);//声明函数
class Complex{
public:
10 friend ostream& operator<<(ostream &out,const Complex &c);//声明为友元函数
11 friend istream& operator>>(istream &in,Complex &c);
Complex():real(),img(){} //默认构造函数
Complex(int r,int i):real(r),img(i){} //带参数的构造函数
void show(){ //打印复数
cout<<"("<<real<<","<<img<<")"<<endl;
}
private:
int real; //复数实部
int img; //复数虚部
};
21 ostream& operator<<(ostream &out,const Complex &c){
22 out<<"("<<c.real<<","<<c.img<<")";
23 return out;
24 }
25 istream& operator>>(istream &in,Complex &c){
26 in>>c.real>>c.img;
27 return in;
28 }
int main(){
Complex c;
cout<<"请输入复数:";
32 cin>>c;//输入复数
33 cout<<c;//输出对象
return ;
}
此时语句cin>>c相当于operator>>(cin,c),而语句cout<<c相当于operator<<(cout,c),从而完成所期望的功能
三、友元的特别注意事项
1.切记友元函数不是类的成员函数,故编译器不会在友元函数中隐式地插入this指针
2.友元是不能被继承的,原因很简单: “父亲的朋友不一定也是儿子的朋友”
3.友元破坏了类的封装性,因此使用友元时必须要是是十分慎重
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