C++ 学习（5）——友元函数

深入理解 C++ 中的友元函数（Friend Function）

在 C++ 编程中，类的封装性通过将成员变量设为私有（private）或受保护（protected）来保障。然而，在实际开发中，某些场景下我们需要非成员函数访问类的私有成员。为此，C++ 提供了一个强有力的机制——友元函数（Friend Function）。

本文将从概念、语法、使用示例、应用场景及注意事项等方面系统介绍 C++ 中的友元函数。

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一、什么是友元函数？

友元函数是被类特别授权可以访问其私有（private）和保护（protected）成员的非成员函数。

通过 friend 关键字声明的函数，不属于该类，但拥有与成员函数相同的访问权限。

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二、友元函数的声明与定义

1. 声明方式

在类定义中使用 friend 关键字声明一个函数，即将其设为友元：

class MyClass {
private:
    int value;

public:
    MyClass(int v) : value(v) {}
    
    // 声明友元函数
    friend void showValue(MyClass obj);
};

2. 定义方式

友元函数的定义与普通函数相同，但不加作用域限定符 MyClass::，因为它不是类的成员。

void showValue(MyClass obj) {
    std::cout << "Value: " << obj.value << std::endl;
}

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三、完整示例：友元函数访问私有成员

#include <iostream>
using namespace std;

class Box {
private:
    double width;

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

    // 友元函数声明
    friend void printWidth(Box b);
};

// 友元函数定义
void printWidth(Box b) {
    cout << "Box width: " << b.width << endl;  // 可以访问私有成员
}

int main() {
    Box box(12.5);
    printWidth(box);  // 调用友元函数
    return 0;
}

输出：

Box width: 12.5

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四、友元函数的特点总结

特性	说明
不是类的成员函数	友元函数定义在类外部，不能通过 this 指针访问类成员。
可以访问私有/保护成员	被类授权后，可访问类的所有非公有成员。
单向性	A 是 B 的友元，不意味着 B 是 A 的友元。
可为普通函数或成员函数	友元可以是普通函数、类的成员函数，也可以是类本身（友元类）。
破坏封装性	滥用友元会削弱封装性，应当谨慎使用。

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五、友元函数的典型应用场景

1. 操作符重载（如 <<, ==）

由于输出流对象 ostream 不能作为类成员，通常需要通过友元函数实现操作符重载：

class Point {
private:
    int x, y;
public:
    Point(int x, int y) : x(x), y(y) {}
    friend ostream& operator<<(ostream& os, const Point& p);
};

ostream& operator<<(ostream& os, const Point& p) {
    os << "(" << p.x << ", " << p.y << ")";
    return os;
}

2. 跨类访问私有成员

当两个类紧密协作时，一个类可能需要访问另一个类的私有成员，此时可以设置为友元：

class B;  // 前向声明

class A {
    friend class B;  // B 是 A 的友元类
private:
    int secret = 42;
};

class B {
public:
    void reveal(A a) {
        std::cout << "Accessing A's secret: " << a.secret << endl;
    }
};

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六、友元函数与封装性的权衡

虽然友元函数在某些场景下提供了灵活性，但它破坏了封装性的边界，应当适度使用。推荐的实践原则包括：

• 仅在函数确实需要访问类的内部实现时使用。
• 尽量保持类的封装性和抽象性，避免频繁引入友元函数。
• 对于复杂交互的类结构，考虑通过设计模式（如观察者、委托等）替代友元。

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七、结语

友元函数是 C++ 提供的重要特性之一，为程序员提供了对类访问权限更细粒度的控制能力。通过合理使用友元函数，可以实现更灵活的类设计与功能扩展。

在掌握了友元函数的本质与使用方式后，开发者应权衡其灵活性与封装性的代价，做到“该用则用，不滥用”。

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