C++雾中风景１：友元类与面向对象

时间：2023-01-31 13:28:35

因为后续准备入职的公司都希望能转C++,所以最近也是按部就班的开始进行C++的学习。然后这个系列的文章打算探究C++的语言特性，也比较一下不同语言（如Java,Scala,Python,Go）之间的设计哲学，同时也抛砖引玉的希望能有大拿们的指点。最近在学习过程之中接触了友元函数与友元类的概念，第一篇文章我们就聊聊友元的概念。

1.友元函数：

开篇先简单介绍一下友元这个概念吧。
在C++之中，类的友元函数是定义在类外部，但它有权访问类的所有私有（private）成员和保护（protected）成员。尽管友元函数的原型有在类的定义中出现过，但是友元函数并不是成员函数。友元可以是一个函数，该函数被称为友元函数；友元也可以是一个类，该类被称为友元类。

直接上个代码,我们看看友元函数与友元类具体是怎么样使用的：

#include <iostream>
using namespace std;

class Box {
public:
    Box(double l, double b, double h) {
        length = l;
        breadth = b;
        height = h;
    }
    friend class A;
    friend void boxPrintBox(Box &box);
private:
double length;
double breadth;
double height;
};

//友元函数,友元函数并非成员函数
void boxPrintBox(Box &b) {
    cout << b.height << " " << b.length << " " << b.breadth << endl;
}

//友元类
class A {
public:
void printBox(Box &b) {
        cout << b.height << " " << b.length << " " << b.breadth << endl;
    }
};


int main() {
    Box box(1,2,3);

//友元函数，可以访问Box类的private的变量
boxPrintBox(box);
//友元类，同样可以访问Box类的private的变量
    A a;
    a.printBox(box);

return 0;
}

上面的代码可以看出，友元函数和友元类都可以直接访问到对象的私有变量。接下来我们来分析一下友元函数的特点。

  • 1、为什么要引入友元函数：
    在实现类之间数据共享时，减少系统开销，提高效率。具体来说：为了使其他类的成员函数直接访问该类的私有变量。即：允许外面的类或函数去访问类的私有变量和保护变量，从而使两个类共享同一函数。能够提高效率，表达简单、清晰
  • 2、什么时候使用友元函数：
    1)运算符重载的某些场合需要使用友元。
    2)两个类要共享数据的时候
  • 3、友元方式的缺点：
    1)友元函数破环了封装机制，除非不得已的情况下才使用友元函数。

2.友元关系与面向对象：

接下来我们聊聊怎么从面向对象的角度去理解友元关系。（以下内容皆为个人理解，有不准确之处望能斧正）

  • １)友元函数
    　友元函数是不从属与类的函数，除了能够访问类的私有变量之外，与其他实现在类外部的函数无异。从面向对象的角度看，函数是不应该独立实现于类之外的。显然独立与类之外的友元函数，从面向对象的角度来思考，是不优雅的解决方式。
    　这和C++本身兼容C语法有关，如操作符<<的重载利用的就是友元函数。<<的函数重载如下，这个函数是独立与类之外实现的方法：

    friend ostream &operator<<(ostream &output, const object &o)

      显然，这个<<的函数方法更应该从属在ostream这个类之中，做为一个可重载的方法实现。如下定义

    friend ostream &operator<<(const object &o)　//作为ostream的类函数
      如Java,Scala,Python都不支持独立与类存在定义的函数了。在面向对象的角度，后续的语言实现的更加纯粹了。所以如果本身代码风格趋近与面向对象的风格，就应该尽量理由友元类来实现需要的功能，而不是使用友元函数。
      有朋友私信我说：Python之中明明直接def就可以定义函数了，也不需要类啊，这是不是也不符合面向对象的逻辑思维？这里简单解释一下，Python之中的每个函数，都会被包装成一个function对象，所以Python之中是一切皆对象的，不会存在独立与类存在的函数。而如同Java与Scala之中的lambda表达式，也是包装为匿名类存在的。

  • 2)友元类
    通过友元类包装之中，友元类摇身一变，类之中所有的方法都成为友元函数了。看起来并不会破坏上文提到的面向对象的逻辑了，但是涉及到继承又存在一些不大不小的坑，我们一起来捋一捋：
      友元关系不能继承。基类的友元对派生类的成员没有特殊访问权限。如果基类被授予友元关系，则只有基类具有特殊访问权限，该基类的派生类不能访问授予友元关系的类。
      好复杂，我们直接上代码：

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
private:
int x;
friend class C;
};

class B:public A{
private:
int y;
};

class C {
void printA(A& a) {
        cout << a.x << endl;
    }
void printB(B& b) {
        cout << b.x << endl; //C类依然可以利用友元关系访问从B类从A类继承来的私有变量
//cout << b.y << endl; C类不可以访问B类的私有变量，友元关系不继承，该语句不合法。
    }
};

显然，类C与A的友元关系止步于继承处，类C没法访问类B新定义的私有变量。(这里留一个小问题给大家，如果类B覆盖了类A的私有变量x，类C之中的printB是否仍然可以通过编译呢？)

我们再看一段不同的代码：

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
int x;
public:
    friend class B;
};
class B
{
public:
void fun(A& a){ cout << a.x << endl;}
};

class C:public B
{
public:
//void fun2(A& a){ cout <<a.a <<endl;} //派生类新加的函数却不能访问A，此句会报错
};

void main()
{
    A a;
    C c;
    c.fun(a); //C是B的派生类,只能基类B的函数fun来访问A的对象
}

类C虽然继承了类B，但是也不在具有了和A的友元关系，只能"拼爹"。依赖从类B之中继承的友元函数来访问类A。(这里同样留一个小问题给大家，如果类B之中的fun函数是protected或private的，那上述代码还能够正常编译吗?)

  在这里做一个简单的小结：友元关系在友元类之中没有继承性，只能依赖基类的友元关系。

3.非C++语言是怎么解决友元关系的：

  • Java
    JAVA修饰符类型(public,protected,private)
  • public的类、类属变量及方法，包内及包外的任何类均可以访问；
  • protected的类、类属变量及方法，包内的任何类，及包外的那些继承了此类的子类才能访问；
  • private的类、类属变量及方法，包内包外的任何类均不能访问；

  • 如果一个类、类属变量及方法不以这三种修饰符来修饰。那么包内的任何类都可以访问它，而包外的任何类都不能访问它(包括包外继承了此类的子类)。所以这种类型有时也称为friendly类型，现在知道这个名字的出处了吧，大家对同一个package之中要放哪些类有木有新的认识了呢？

  • Scala
    在Scala之中，private和protected可以指定额外的参数。可以使用private[AccessQualifier]，AccessQualifier可以是this，也可以是其它的类名或包名。这样就可以这么理解：这个成员对所有类都是private，除了自己和AccessQualifier所表示范围内的类。这个概念也是可以递推的，也就是说，如果AccessQualifier是一个类，那么private成员对于AccessQualifier的AccessQualifier也是可见的。
    （好优雅的方式啊，我爱Scala。）

  • Python
    老子他喵的没有访问控制，全靠自觉。

  • Golang
    比较粗暴，就靠首字母的大小写区分。没法做到细粒度的控制，不过看起来也不影响绝大多数场景的工程实现。所以是否这样化繁为简的设计哲学，也是一种优雅的设计呢？

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