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理解 C++ 中的友元（Friend）

在 C++ 语言中，封装（Encapsulation） 是面向对象编程的重要特性之一。它允许类将数据隐藏在私有（private）或受保护（protected）成员中，防止外部直接访问。然而，在某些情况下，我们希望某些函数或类能够访问这些私有成员，而不破坏封装性。这时，我们就需要友元（Friend）。

1. 什么是友元？

友元（friend） 是 C++ 提供的一种机制，它允许一个函数或另一个类访问某个类的私有和受保护成员。友元有三种类型：

友元函数（Friend Function）
友元类（Friend Class）
友元成员函数（Friend Member Function）

2. 友元函数

友元函数是一个非成员函数，但它可以访问类的私有和受保护成员。要声明友元函数，需要在类内部使用 friend 关键字。

示例：友元函数

#include <iostream>
using namespace std;

class Box {
private:
    double width;

public:
    Box(double w) : width(w) {}
    
    // 声明友元函数
    friend void printWidth(const Box &b);
};

// 定义友元函数
void printWidth(const Box &b) {
    cout << "Width: " << b.width << endl;
}

int main() {
    Box b(10.5);
    printWidth(b);
    return 0;
}

在上面的示例中，printWidth 不是 Box 类的成员函数，但由于它被声明为 friend，它可以访问 Box 的私有成员 width。

3. 友元类

友元类允许一个类访问另一个类的私有和受保护成员。

示例：友元类

#include <iostream>
using namespace std;

class Engine {
private:
    int horsepower;

public:
    Engine(int hp) : horsepower(hp) {}
    
    // 声明 Car 为友元类
    friend class Car;
};

class Car {
public:
    void showEnginePower(const Engine &e) {
        cout << "Engine horsepower: " << e.horsepower << endl;
    }
};

int main() {
    Engine e(150);
    Car c;
    c.showEnginePower(e);
    return 0;
}

在这个例子中，Car 是 Engine 的友元类，因此它可以访问 Engine 类的私有成员 horsepower。

4. 友元成员函数

我们还可以只将另一个类的某个成员函数设为友元，而不是整个类。

示例：友元成员函数

#include <iostream>
using namespace std;

class Engine;

class Car {
public:
    void showEnginePower(const Engine &e);
};

class Engine {
private:
    int horsepower;

public:
    Engine(int hp) : horsepower(hp) {}
    
    // 声明 Car::showEnginePower 为友元
    friend void Car::showEnginePower(const Engine &e);
};

void Car::showEnginePower(const Engine &e) {
    cout << "Engine horsepower: " << e.horsepower << endl;
}

int main() {
    Engine e(200);
    Car c;
    c.showEnginePower(e);
    return 0;
}

这里 Car::showEnginePower 是 Engine 的友元成员函数，因此它可以访问 Engine 的私有成员。

5. 友元的应用场景

友元在以下情况中非常有用：

运算符重载（如 operator<< 和 operator>> 需要访问类的私有成员）。
类之间的紧密协作（如 Car 需要访问 Engine 的私有数据）。
全局函数需要访问私有数据（如调试函数、日志记录等）。

6. 友元的优缺点

优点：

允许外部函数/类访问私有数据，增强类之间的协作能力。
使操作符重载更加直观。

缺点：

破坏了封装性，降低了数据的安全性。
可能导致代码耦合度增加。

7. 总结

友元函数 可以访问类的私有/受保护成员，但不是类的成员。
友元类 允许另一个类访问本类的私有成员。
友元成员函数 允许一个类的特定成员函数访问本类的私有成员。
友元应该谨慎使用，避免破坏封装性。

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