C++友元函数的分析和理解

参考链接
http://blog.csdn.net/insistgogo/article/details/6608672
http://www.cnblogs.com/fzhe/archive/2013/01/05/2846808.html

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
    优点：能够提高效率，表达简单、清晰
    缺点：友元函数破环了封装机制，尽量不使用成员函数，除非不得已的情况下才使用友元函数。

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、怎么使用友元函数
    友元函数的参数
       因为友元函数没有this指针，则参数要有三种情况：
       1、  要访问非static成员时，需要对象做参数；--常用(友元函数常含有参数)
       2、  要访问static成员或全局变量时，则不需要对象做参数
       3、  如果做参数的对象是全局对象，则不需要对象做参数

    友元函数的位置
       因为友元函数是类外的函数，所以它的声明可以放在类的私有段或公有段且没有区别。

    友元函数的调用
       可以直接调用友元函数，不需要通过对象或指针


    友元函数的分类
    根据这个函数的来源不同，可以分为三种方法：
1、普通函数友元函数：
    a) 目的：使普通函数能够访问类的友元
    b) 语法：声明位置：公有私有均可，常写为公有
           声明： friend + 普通函数声明
           实现位置：可以在类外或类中
           实现代码：与普通函数相同（不加不用friend和类::）
           调用：类似普通函数，直接调用

2、类Y的所有成员函数都为类X友元函数—友元类
    a）目的：使用单个声明使Y类的所有函数成为类X的友元
           它提供一种类之间合作的一种方式，使类Y的对象可以具有类X和类Y的功能
           具体来说：
               前提：A是B的友元（=》A中成员函数可以访问B中有所有成员，包括私有成员和公有成员--老忘）
               则：在A中，借助类B，可以直接使用～B . 私有变量～的形式访问私有变量

    b）语法：声明位置：公有私有均可，常写为私有(把类看成一个变量)
           声明： friend + 类名---不是对象啊
           调用：

3、类Y的一个成员函数为类X的友元函数
    a）目的：使类Y的一个成员函数成为类X的友元
           具体而言：而在类Y的这个成员函数中，借助参数X，可以直接以X。私有变量的形式访问私有变量
     b）语法：声明位置：声明在公有中 （本身为函数）
            声明：friend + 成员函数的声明
            调用：先定义Y的对象y---使用y调用自己的成员函数---自己的成员函数中使用了友元机制

4、在模板类中使用友元operator<<(对<<运算符的重载)
    a)使用方法：
    在模板类中声明：

friend ostream& operator<< <>(ostream& cout,const MGraph<VexType,ArcType>& G);

 
    在模板类中定义：

template<class VexType,class ArcType>  
ostream& operator<<(ostream& cout,const MGraph<VexType,ArcType>& G)  
{  
    //函数定义  
}

 
    b)注意：
        把函数声明非模板函数：

friend ostream& operator<< (ostream& cout,const MGraph& G);

 
        把函数声明为模板函数：

friend ostream& operator<< <>(ostream& cout,const MGraph<VexType,ArcType>& G);  
或：
friend ostream& operator<< <VexType,ArcType>(ostream& cout,const MGraph<VexType,ArcType>& G); 

        说明：
            在函数声明中加入operator<< <>：是将operator<<函数定义为函数模板，将函数模板申明为类模板的友员时,是一对一绑定的
            实际的声明函数：这里模板参数可以省略，但是尖括号不可以省略


使用友元类时注意：
(1) 友元关系不能被继承。
(2) 友元关系是单向的，不具有交换性。若类B是类A的友元，类A不一定是类B的友元，要看在类中是否有相应的声明。
(3) 友元关系不具有传递性。若类B是类A的友元，类C是B的友元，类C不一定是类A的友元，同样要看类中是否有相应的申明

友元函数和类的成员函数的区别：成员函数有this指针，而友元函数没有this指针。

记忆：A是B的友元《=》A是B的朋友《=》借助B的对象，在A中可以直接 通过B。成员变量（可以是公有，也可以为私有变量） 的方式访问B

//测试一：普通函数友元函数
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
class IntegerNumber
{
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
public:
    void SetNumber(int a, int b, int c)
    {
        m_nPublicNumber = a;
        m_nProtectedNumber = b;
        m_nPrivateNumber= c;
    }

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
public:
     void PrintPublicNumber()
     {
         cout<<"[PrintPublicMethod] Public Number is " << m_nPublicNumber << endl;
     }

protected:
    void PrintProtectedNumber()
    {
        cout<<"[PrintProtectedMethod] Protected Number is " << m_nProtectedNumber << endl;
    }

private:
    void PrintPrivateNumber()
    {
        cout<<"[PrintPrivateMethod] Private Number is " << m_nPrivateNumber << endl;
    }

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//由于友元函数没有this指针，所以一般要求用户传入友元函数所在类的一个对象
//结论一：声明友元函数，友元函数的访问权限不受 public | protected | private 影响
public:
    friend void PublicFriend(IntegerNumber& number)
    {
        cout << "--------------------------------------------------------\n";
                                                                                             //结论二：友元函数可以访问对象的所有成员
        cout << "[PublicFriend] Public Number is " << number.m_nPublicNumber << endl;        //友元函数可以访问公有成员
        cout << "[PublicFriend] Protecdted Number is " << number.m_nProtectedNumber << endl; //友元函数可以访问保护成员
        cout << "[PublicFriend] Private Number is " << number.m_nPrivateNumber << endl;      //友元函数可以访问私有成员

                                         ////结论三：友元函数可以访问对象的所有方法
        number.PrintPublicNumber();      //友元函数可以访问公有方法
        number.PrintProtectedNumber();   //友元函数可以访问保护方法
        number.PrintPrivateNumber();     //友元函数可以访问私有方法
    }

protected:
    friend void ProtectedFriend(IntegerNumber& number)
    {
        cout << "--------------------------------------------------------\n";
        cout << "[ProtectedFriend] Public Number is " << number.m_nPublicNumber << endl;        //友元函数可以访问公有成员
        cout << "[ProtectedFriend] Protecdted Number is " << number.m_nProtectedNumber << endl; //友元函数可以访问保护成员
        cout << "[ProtectedFriend] Private Number is " << number.m_nPrivateNumber << endl;      //友元函数可以访问私有成员

        number.PrintPublicNumber();      //友元函数可以访问公有方法
        number.PrintProtectedNumber();   //友元函数可以访问保护方法
        number.PrintPrivateNumber();     //友元函数可以访问私有方法
    }

private:
     friend void PrivateFriend(IntegerNumber& number)
     {
         cout << "--------------------------------------------------------\n";
         cout << "[PrivateFriend] Public Number is " << number.m_nPublicNumber << endl;        //友元函数可以访问公有成员
         cout << "[PrivateFriend] Protecdted Number is " << number.m_nProtectedNumber << endl; //友元函数可以访问保护成员
         cout << "[PrivateFriend] Private Number is " << number.m_nPrivateNumber << endl;      //友元函数可以访问私有成员

         number.PrintPublicNumber();      //友元函数可以访问公有方法
         number.PrintProtectedNumber();   //友元函数可以访问保护方法
         number.PrintPrivateNumber();     //友元函数可以访问私有方法
     }

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
public:
    int m_nPublicNumber;

protected:
    int m_nProtectedNumber;

private:
    int m_nPrivateNumber;
};

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void FriendMethodTest()
{
    IntegerNumber cNumber;
    cNumber.SetNumber(8, 9, 10);

    //友元函数只能采取以下直接调用的方式
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    PublicFriend(cNumber);//直接调用
    ProtectedFriend(cNumber);//直接调用
    PrivateFriend(cNumber);//直接调用


    // C2039: 'PublicFriend' : is not a member of 'IntegerNumber'
    //cNumber.PublicFriend(cNumber);   //友元函数无法采用一般成员函数的调用方式

    //error C2039: 'ProtectedFriend' : is not a member of 'IntegerNumber'
    //cNumber.ProtectedFriend(cNumber); //友元函数无法采用一般成员函数的调用方式

    //error C2039: 'PrivateFriend' : is not a member of 'IntegerNumber'
    //cNumber.PrivateFriend(cNumber);     //友元函数无法采用一般成员函数的调用方式
}

void NormalMethodTest()
{
    IntegerNumber cNumber;
    cNumber.SetNumber(8, 9, 10);

    //正常情况下，对象只能访问公有成员，无法访问保护成员和私有成员。
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    cout << "Public Number is " << cNumber.m_nPublicNumber << endl;        //一般对象可以访问公有成员

    //error C2248: 'IntegerNumber::m_nProtectedNumber' : cannot access protected member declared in class 'IntegerNumber'
    //cout << "Protecdted Number is " << cNumber.m_nProtectedNumber << endl; //一般对象无法访问保护成员

    //error C2248: 'IntegerNumber::m_nPrivateNumber' : cannot access private member declared in class 'IntegerNumber'
    //cout << "Private Number is " << cNumber.m_nPrivateNumber << endl;      //一般对象无法访问私有成员


    //正常情况下，对象只能访问公有方法，无法访问保护方法和私有方法。
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    cNumber.PrintPublicNumber();    //一般对象可以访问公有方法

    //error C2248: 'IntegerNumber::PrintProtectedNumber' : cannot access protected member declared in class 'IntegerNumber'
    //cNumber.PrintProtectedNumber(); //一般对象无法访问保护方法

    //error C2248: 'IntegerNumber::PrintPrivateNumber' : cannot access private member declared in class 'IntegerNumber'
    //cNumber.PrintPrivateNumber();   //一般对象无法访问私有方法
}


void main()
{
    NormalMethodTest();
    FriendMethodTest();
}

//测试二：指定其他类的方法为自己的友元函数
class Girl;

class Boy
{
public:
    Boy(int nId, int nAge)
    {
        m_nID = nId;
        m_nAge = nAge;
    }

    void Display(Girl& girl);

private:
    int m_nID;
    int m_nAge;
};

class Girl
{
public:  
    Girl(int nId, int nAge)
    {
        m_nID = nId;
        m_nAge = nAge;
    }

    //声明类Boy的成员函数DispGirl()为类Girl的友元函数
    friend void Boy::Display(Girl& girl);

private:
    int m_nID;
    int m_nAge;
};

void Boy::Display(Girl& girl)
{
    //访问自己(Boy)的对象成员,直接访问自己的私有变量 
    cout  <<  "Boy's id is:"  <<  m_nID  <<  ",age:"  <<  m_nAge  <<  endl;

    //借助友元，在Boy的成员函数disp中，借助Girl的对象，直接访问Girl的私有变量
    //正常情况下，只允许在Girl的成员函数中访问Girl的私有变量  
    cout  <<  "Girl's id is:"  <<  girl.m_nID<<  ",age:"  <<  girl.m_nAge  <<endl;
}

void FriendMethodByOtherClassTest()
{   
    Boy b(123, 18);
    Girl g(345, 20);
    b.Display(g);
}

void main()
{
    FriendMethodByOtherClassTest();
}

//测试三：友元类，可以访问类的全部函数，可以理解成特殊的友元函数
class Wife;
class Husband
{  
private:
    int m_nMoney;

public:  
    Husband(int nMoney)
    {
        m_nMoney = nMoney;
    }

    void Display(Wife& wife);
};

class Wife
{
private:
    int m_nMoney;

    friend Husband;   //声明类Husband是类Wife的友元类

public:
    Wife(int nMoney)
    {
        m_nMoney = nMoney;
    }
};

//函数Display()为类Husband的成员函数，也是类Wife的友元函数 
void Husband::Display(Wife& wife) 
{ 
    //正常情况，Husband的成员函数disp中直接访问Husband的私有变量
    cout  <<  "Husband's money is:"  <<  m_nMoney  <<  endl;

    //借助友元类，在Husband的成员函数disp中，借助Wife的对象，直接访问Wife的私有变量
    //正常情况下，只允许在Wife的成员函数中访问Wife的私有变量
    cout  <<  "Wife's money is:"  <<  wife.m_nMoney  <<endl;
}

void FrientClassTest()
{   
    Husband h(123);
    Wife w(456);
    h.Display(w);  //h调用自己的成员函数，但是以w为参数，友元机制体现在函数Display中
}

void main()
{
    FrientClassTest();
}

//测试四：友元函数进行操作符重载
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class rect {
    int x1, y1, x2, y2;    //矩形座标
public:
    rect() {
        x1 = 0, y1 = 0, x2 = 0, y2 = 0;
    }
    rect(int m1, int n1, int m2, int n2) {
        x1 = m1, y1 = n1, x2 = m2, y2 = n2;
    }
    void print() {
        cout << "  x1=" << x1;
        cout << "  y1=" << y1;
        cout << "  x2=" << x2;
        cout << "  y2=" << y2;
        cout << endl;
    }
    //rect operator++();                 //这是类的运算符的重载
    friend rect operator++(rect &ob);   //这是全局运算符的重载
};

rect operator++(rect &ob) {
    ob.x1++, ob.y1++; 
    ob.x2++, ob.y2++;

    return ob;
}

int main ( )
{
    rect r(12, 20, 50, 40);
    r.print();

    rect obj;
    obj = r++;
    obj.print();

    return 0;
}