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?4. 友元

在C++中，友元（friend）提供了一種突破類的訪問限定符的機(jī)制，使得外部函數(shù)或其他類可以訪問類的私有（private）和受保護(hù)的成員（protected）。友元可以是友元函數(shù)或友元類，而這種友元關(guān)系是在類定義中通過關(guān)鍵字?friend?顯式聲明的。

?4.1 友元涉及的基本概念

<一> 友元函數(shù)：友元函數(shù)可以訪問類的私有和受保護(hù)成員，但它并不是類的成員函數(shù)。
<二>友元類：某個(gè)類的所有成員函數(shù)都可以是另一個(gè)類的友元，允許訪問該類的私有和受保護(hù)成員。
<三>單向關(guān)系：友元關(guān)系是單向的，如果A類是B類的友元，B類的成員函數(shù)可以訪問A類的私有成員，但A類不能訪問B類的私有成員，除非B類也顯式聲明A類為友元。
<四>友元的局限性：雖然友元提供了便利，但它打破了類的封裝性，增加了類之間的耦合，因此不宜濫用。

4.2 友元函數(shù)

友元函數(shù)是一個(gè)外部函數(shù)，但通過友元聲明，它可以訪問類的私有和受保護(hù)的成員。友元函數(shù)不屬于類的成員函數(shù)，它可以在類的任意地方聲明，而不受訪問限定符（public、private、protected）的限制。

示例：友元函數(shù)訪問兩個(gè)類的私有成員?

#include<iostream>
using namespace std;// 前置聲明，避免類A的友元函數(shù)不識(shí)別類B
class B;class A {// 友元聲明，允許函數(shù) func 訪問A類的私有成員friend void func(const A& aa, const B& bb);private:int _a1 = 1;int _a2 = 2;
};class B {// 友元聲明，允許函數(shù) func 訪問B類的私有成員friend void func(const A& aa, const B& bb);private:int _b1 = 3;int _b2 = 4;
};// 友元函數(shù)定義，能夠訪問A和B類的私有成員
void func(const A& aa, const B& bb) {cout << "A::_a1: " << aa._a1 << endl;  // 訪問A類的私有成員cout << "B::_b1: " << bb._b1 << endl;  // 訪問B類的私有成員
}int main() {A aa;B bb;func(aa, bb);  // 調(diào)用友元函數(shù)，訪問A和B類的私有成員return 0;
}

解釋：

• 函數(shù)?func?被聲明為?A?和?B?類的友元，因此它可以訪問?A?類和?B?類的私有成員變量?_a1?和?_b1。
• 雖然?func?是一個(gè)獨(dú)立于類的外部函數(shù)，但通過友元聲明，它獲得了訪問類的私有數(shù)據(jù)的權(quán)限。

4.3 友元類

友元類允許一個(gè)類的所有成員函數(shù)訪問另一個(gè)類的私有和受保護(hù)成員。友元類的成員函數(shù)并不需要逐一聲明為友元，只要類被聲明為友元，所有的成員函數(shù)都能訪問另一個(gè)類的私有和受保護(hù)成員。

示例：友元類的使用?

#include<iostream>
using namespace std;class A {// 友元類B聲明，允許B類的所有成員函數(shù)訪問A類的私有成員friend class B;private:int _a1 = 1;int _a2 = 2;
};class B {
public:// 可以訪問A類的私有成員void func1(const A& aa) {cout << "A::_a1: " << aa._a1 << endl;  // 訪問A類的私有成員cout << "B::_b1: " << _b1 << endl;     // 訪問B類的私有成員}void func2(const A& aa) {cout << "A::_a2: " << aa._a2 << endl;  // 訪問A類的私有成員cout << "B::_b2: " << _b2 << endl;     // 訪問B類的私有成員}private:int _b1 = 3;int _b2 = 4;
};int main() {A aa;B bb;bb.func1(aa);  // 通過B類的成員函數(shù)訪問A類的私有成員bb.func2(aa);  // 通過B類的成員函數(shù)訪問A類的私有成員return 0;
}

解釋：

• B?類被聲明為?A?類的友元類，因此?B?類的所有成員函數(shù)都可以訪問?A?類的私有成員?_a1?和?_a2。
• 通過友元類聲明，不需要逐個(gè)將?B?類的成員函數(shù)聲明為?A?類的友元，只要?B?類是?A?類的友元，B?類的所有成員函數(shù)都可以訪問?A?類的私有數(shù)據(jù)。

4.4 友元的特性與限制

• 單向關(guān)系：友元關(guān)系是單向的，如果?A?是?B?的友元，那么?B?類的成員可以訪問?A?類的私有成員，但?A?類不能訪問?B?類的私有成員，除非?B?類也將?A?類聲明為友元。

示例：單向友元關(guān)系

class A;class B {friend class A;  // B 聲明 A 為友元
private:int _b1 = 1;
};class A {
public:void accessB(B& bb) {// A 可以訪問 B 的私有成員cout << "B::_b1: " << bb._b1 << endl;}
};int main() {A aa;B bb;aa.accessB(bb);  // A 類訪問 B 的私有成員return 0;
}

• 不具有傳遞性：友元關(guān)系不具有傳遞性。如果?A?是?B?的友元，B?是?C?的友元，A?不能訪問?C?類的私有成員。

• 友元增加耦合性：雖然友元機(jī)制提供了訪問類私有成員的便利，但過度使用友元會(huì)導(dǎo)致類與類之間的耦合增加，破壞了類的封裝性。因此，友元不宜濫用，應(yīng)該謹(jǐn)慎使用。

4.5 友元函數(shù)與類的實(shí)際應(yīng)用

友元在某些情況下能提供方便，比如當(dāng)需要兩個(gè)類之間進(jìn)行緊密合作時(shí)，使用友元可以簡化代碼，減少冗長的接口設(shè)計(jì)。

#include<iostream>
using namespace std;class Account;class Transaction {
public:void deposit(Account& account, double amount);void withdraw(Account& account, double amount);
};class Account {friend class Transaction;  // 聲明 Transaction 類為友元類
public:Account(double balance) : _balance(balance) {}void showBalance() const {cout << "Balance: " << _balance << endl;}private:double _balance;
};void Transaction::deposit(Account& account, double amount) {account._balance += amount;  // 直接訪問 Account 類的私有成員
}void Transaction::withdraw(Account& account, double amount) {if (amount <= account._balance) {account._balance -= amount;} else {cout << "Insufficient balance" << endl;}
}int main() {Account myAccount(1000.0);Transaction trans;trans.deposit(myAccount, 500.0);  // 存款myAccount.showBalance();          // 輸出：1500trans.withdraw(myAccount, 200.0); // 取款myAccount.showBalance();          // 輸出：1300return 0;
}

解釋：

Transaction 類被聲明為 Account 類的友元類，因此 Transaction 類的成員函數(shù) deposit 和 withdraw 可以直接訪問 Account 類的私有成員 _balance。

這種情況下，友元機(jī)制簡化了類與類之間的合作，不必通過公共接口訪問私有數(shù)據(jù)，減少了不必要的代碼冗。

總結(jié)

友元機(jī)制在C++中提供了一種打破類封裝的方式，允許外部函數(shù)或類訪問類的私有和受保護(hù)成員。它通過friend關(guān)鍵字來聲明友元函數(shù)或友元類，使得類之間的合作更加簡便。
友元函數(shù)和友元類都有其特定的用途，友元函數(shù)可以訪問多個(gè)類的私有成員，而友元類則使得另一個(gè)類的所有成員函數(shù)都可以訪問當(dāng)前類的私有數(shù)據(jù)。
友元關(guān)系是單向的，不具有傳遞性，過度使用友元會(huì)破壞類的封裝性和增加類的耦合性，應(yīng)該謹(jǐn)慎使用。

5. 內(nèi)部類

內(nèi)部類（Nested Class）是指一個(gè)類定義在另一個(gè)類的內(nèi)部。在C++中，內(nèi)部類和外部類是獨(dú)立的類，盡管它們之間有一定的聯(lián)系，但內(nèi)部類不屬于外部類的對象，它有自己的內(nèi)存布局和獨(dú)立性。使用內(nèi)部類通常是為了封裝和簡化類之間的關(guān)聯(lián)。

5.1 內(nèi)部類的基本概念

1.獨(dú)立性：盡管內(nèi)部類是定義在外部類的內(nèi)部，但它是一個(gè)獨(dú)立的類。外部類的對象并不包含內(nèi)部類的對象。也就是說，創(chuàng)建外部類的對象時(shí)，并不會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建內(nèi)部類的對象，內(nèi)部類需要單獨(dú)實(shí)例化。
2.友元關(guān)系：內(nèi)部類默認(rèn)是外部類的友元類，這意味著內(nèi)部類可以訪問外部類的私有成員。
3.封裝：使用內(nèi)部類可以將一些只在外部類內(nèi)部使用的邏輯封裝起來，使代碼更加緊湊和可控。內(nèi)部類可以定義在 private 或 protected 訪問限定符下，限制其他類對其的訪問。

5.2 內(nèi)部類的使用示例

#include<iostream>
using namespace std;class A {
private:static int _k;  // 外部類的靜態(tài)成員int _h = 1;     // 外部類的非靜態(tài)成員public:// 定義內(nèi)部類 Bclass B {public:// 內(nèi)部類方法可以訪問外部類的私有成員，因?yàn)?B 是 A 的友元類void foo(const A& a) {cout << "A::_k = " << _k << endl;   // 訪問外部類的靜態(tài)成員cout << "A::_h = " << a._h << endl; // 訪問外部類的非靜態(tài)成員}};
};// 初始化外部類的靜態(tài)成員
int A::_k = 1;int main() {cout << "Size of A: " << sizeof(A) << endl;  // 輸出 A 類的大小A::B b;  // 創(chuàng)建內(nèi)部類 B 的對象A aa;    // 創(chuàng)建外部類 A 的對象b.foo(aa);  // 使用內(nèi)部類對象調(diào)用其方法，訪問外部類的私有成員return 0;
}

解釋：

內(nèi)部類 B 被定義在外部類 A 的 public 區(qū)域中，但它依然是 A 的友元類，可以訪問 A 類的私有成員變量 _k 和 _h。
創(chuàng)建了 A::B b 來實(shí)例化內(nèi)部類 B，然后通過內(nèi)部類的成員函數(shù) foo 訪問外部類對象的私有成員。
sizeof(A) 表示 A 類的大小，由于 A 只有一個(gè)整數(shù)成員 _h，因此其大小為4字節(jié)。

5.3 封裝與訪問權(quán)限

內(nèi)部類作為外部類的一部分，可以被放置在?private?或?protected?訪問區(qū)域中，這樣可以控制內(nèi)部類的可見性。

示例：將內(nèi)部類放在?private?區(qū)域?

#include<iostream>
using namespace std;class Outer {
private:class Inner {  // 內(nèi)部類定義在 private 區(qū)域public:void display() {cout << "Inner class method called." << endl;}};public:void createInner() {Inner in;   // 外部類的方法中可以創(chuàng)建內(nèi)部類的對象in.display();}
};int main() {Outer outer;outer.createInner();  // 通過外部類的方法調(diào)用內(nèi)部類的方法// Outer::Inner in;  // 錯(cuò)誤！內(nèi)部類在 private 區(qū)域，外部無法訪問return 0;
}

解釋：

• 在這個(gè)例子中，內(nèi)部類?Inner?定義在?Outer?類的?private?區(qū)域，外部類的方法?createInner()?可以創(chuàng)建?Inner?類的對象并調(diào)用其方法。
• 嘗試在外部直接訪問?Inner?類會(huì)導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤，因?yàn)樗?private?的。

5.4 內(nèi)部類的封裝與應(yīng)用場景

使用內(nèi)部類的一個(gè)常見場景是當(dāng)兩個(gè)類緊密相關(guān)時(shí)，可以將一個(gè)類封裝到另一個(gè)類中。這樣做的目的是讓外部類管理內(nèi)部類的訪問，使得內(nèi)部類只為外部類所用。

場景：內(nèi)部類作為外部類的專屬工具類

#include<iostream>
using namespace std;class Manager {
private:class Task {public:void performTask() {cout << "Performing task." << endl;}};public:void assignTask() {Task t;  // 外部類方法可以使用內(nèi)部類t.performTask();}
};int main() {Manager mgr;mgr.assignTask();  // 調(diào)用外部類的方法，執(zhí)行內(nèi)部類中的任務(wù)邏輯return 0;
}

解釋：

這里，Task 類被封裝在 Manager 類的 private 區(qū)域，表示 Task 只為 Manager 類服務(wù)，外部無法直接訪問它。
這是一種封裝技術(shù)，用于使 Task 類專屬于 Manager 類，外部無法創(chuàng)建 Task 對象，只能通過 Manager 類的方法來間接使用它。

5.5 內(nèi)部類的友元關(guān)系

內(nèi)部類默認(rèn)是外部類的友元類，這意味著內(nèi)部類可以訪問外部類的私有和受保護(hù)成員。這種設(shè)計(jì)允許內(nèi)部類和外部類之間進(jìn)行緊密的合作，使得內(nèi)部類可以像外部類的成員函數(shù)一樣訪問其內(nèi)部數(shù)據(jù)。

示例：內(nèi)部類訪問外部類的私有成員?

#include<iostream>
using namespace std;class Container {
private:int _data = 100;public:// 定義內(nèi)部類class Helper {public:void showData(const Container& c) {cout << "Container::_data = " << c._data << endl;  // 訪問外部類的私有成員}};
};int main() {Container c;Container::Helper h;  // 創(chuàng)建內(nèi)部類對象h.showData(c);  // 調(diào)用內(nèi)部類的方法，訪問外部類的私有成員return 0;
}

解釋：

• Helper?類作為?Container?的內(nèi)部類，默認(rèn)是?Container?的友元，因此它可以訪問?Container?類的私有成員?_data。
• 通過內(nèi)部類的對象?h，可以調(diào)用?showData?方法來訪問外部類?Container?的私有數(shù)據(jù)。

5.6 應(yīng)用：求 1 + 2 + 3 + … + n

#include<iostream>
using namespace std;class Solution {// 內(nèi)部類 Sum，用于進(jìn)行累加操作class Sum {public:Sum() {_ret += _i;  // 每創(chuàng)建一個(gè)對象，累加一次當(dāng)前的 _i++_i;        // 自增 i}};static int _i;    // 用于計(jì)數(shù)的靜態(tài)變量static int _ret;  // 用于存儲(chǔ)結(jié)果的靜態(tài)變量public:int Sum_Solution(int n) {Sum arr[n];  // 創(chuàng)建 n 個(gè) Sum 對象，觸發(fā)累加邏輯return _ret; // 返回累加的結(jié)果}
};// 初始化靜態(tài)變量
int Solution::_i = 1;
int Solution::_ret = 0;int main() {Solution sol;cout << "Sum of 1 to 5: " << sol.Sum_Solution(5) << endl;  // 1 + 2 + 3 + 4 + 5 = 15return 0;
}

解釋：

• 內(nèi)部類?Sum?在創(chuàng)建對象時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行累加操作，創(chuàng)建?n?個(gè)?Sum?對象等價(jià)于對?1?到?n?進(jìn)行

累加。

• 靜態(tài)變量?_i?用于記錄當(dāng)前的計(jì)數(shù)，_ret?用于存儲(chǔ)累加的結(jié)果。

總結(jié)

內(nèi)部類是一種封裝機(jī)制，允許將類定義在另一個(gè)類的內(nèi)部，從而限制內(nèi)部類的可見性或封裝內(nèi)部邏輯。內(nèi)部類與外部類獨(dú)立，但它默認(rèn)可以訪問外部類的私有成員。
內(nèi)部類的主要優(yōu)勢是封裝性和緊密耦合。當(dāng)一個(gè)類主要是為了另一個(gè)類服務(wù)時(shí)，將其設(shè)計(jì)為內(nèi)部類可以減少外部依賴和接口冗余。
內(nèi)部類可以用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯封裝、類間的緊密合作、計(jì)算封裝等多個(gè)場景，但應(yīng)謹(jǐn)慎使用，避免過度增加類的復(fù)雜性。

?6. 匿名對象

匿名對象是C++中的一種特殊對象，和普通的有名對象不同，匿名對象沒有名字，僅在表達(dá)式中被使用，生命周期非常短暫。它的生命周期只限于當(dāng)前語句，當(dāng)語句執(zhí)行結(jié)束后，匿名對象就會(huì)自動(dòng)被銷毀并調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。匿名對象的典型用法是臨時(shí)定義對象，完成某項(xiàng)任務(wù)后立即銷毀。

6.1 匿名對象的基本概念
匿名對象的定義：匿名對象是通過直接調(diào)用構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建的對象，而沒有為其指定名字。形式上，它看起來像 A() 或 A(1) 這樣的表達(dá)式。

生命周期：匿名對象的生命周期非常短暫，只有在當(dāng)前表達(dá)式結(jié)束時(shí)存在，表達(dá)式執(zhí)行完畢后，匿名對象立即調(diào)用析構(gòu)函數(shù)被銷毀。

應(yīng)用場景：匿名對象通常用于臨時(shí)性操作，例如快速調(diào)用某個(gè)對象的成員函數(shù)或操作符，而不需要將該對象保存在變量中。

匿名對象 vs 有名對象
有名對象：對象名(實(shí)參)

例：B pro(10);（有名對象）
生命周期：與作用域相關(guān)，當(dāng)作用域結(jié)束時(shí)對象銷毀。
匿名對象：類型(實(shí)參)

例：B(5);（匿名對象）
生命周期：只在當(dāng)前表達(dá)式有效，隨后立即銷毀。

6.2 匿名對象的創(chuàng)建與銷毀

在C++中，通過 B()?或 B(10)?這樣的語法直接調(diào)用構(gòu)造函數(shù)來創(chuàng)建匿名對象，匿名對象沒有名字，生命周期僅限于當(dāng)前行，結(jié)束后立即調(diào)用析構(gòu)函數(shù)進(jìn)行銷毀.

示例：

#include<iostream>
using namespace std;class A {
public:// 構(gòu)造函數(shù)A(int a = 0) : _a(a) {cout << "A(int a) 構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用, _a = " << _a << endl;}// 析構(gòu)函數(shù)~A() {cout << "~A() 析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用, _a = " << _a << endl;}private:int _a;
};int main() {A aa1;  // 有名對象 aa1 的創(chuàng)建// 不能這樣定義對象，因?yàn)榫幾g器無法確定是函數(shù)聲明還是對象定義// A aa1();// 創(chuàng)建匿名對象并立即銷毀A();    A(1);   A aa2(2);  // 有名對象 aa2 的創(chuàng)建，生命周期為整個(gè)作用域// 匿名對象用于調(diào)用函數(shù)，完成任務(wù)后立即銷毀Solution().Sum_Solution(10);return 0;
}

輸出：

A(int a) 構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用, _a = 0
~A() 析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用, _a = 0
A(int a) 構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用, _a = 1
~A() 析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用, _a = 1
A(int a) 構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用, _a = 2
~A() 析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用, _a = 2

解釋：

• A()?和?A(1)?創(chuàng)建的是匿名對象，它們在當(dāng)前語句結(jié)束后立即調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。
• 有名對象?aa1?和?aa2?是在整個(gè)作用域內(nèi)存在的，它們在作用域結(jié)束時(shí)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。
• 匿名對象?的使用場景之一是調(diào)用某個(gè)方法或操作符后立即銷毀，不占用額外的資源。

6.3 匿名對象的應(yīng)用場景

6.3.1 匿名對象用于臨時(shí)調(diào)用成員函數(shù)

匿名對象的一個(gè)常見應(yīng)用場景是用來臨時(shí)調(diào)用某個(gè)類的成員函數(shù)，執(zhí)行完任務(wù)后不需要該對象的存在。

class Solution {
public:int Sum_Solution(int n) {return n * (n + 1) / 2;}
};int main() {// 使用匿名對象調(diào)用 Sum_Solution 函數(shù)int result = Solution().Sum_Solution(10);  // 匿名對象創(chuàng)建后立即銷毀cout << "Sum of 1 to 10: " << result << endl;return 0;
}

解釋：

• 匿名對象?Solution()?被創(chuàng)建，用于調(diào)用?Sum_Solution?函數(shù)。函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，匿名對象立即銷毀，不再占用資源。
• 這是一種常見的設(shè)計(jì)模式，適用于不需要保存對象狀態(tài)的場景。

6.3.2 匿名對象避免對象命名

示例：返回匿名對象

class A {
public:A(int a) : _a(a) {cout << "A(int a) 構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用, _a = " << _a << endl;}~A() {cout << "~A() 析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用, _a = " << _a << endl;}private:int _a;
};// 函數(shù)返回一個(gè)匿名對象
A createA() {return A(100);  // 返回匿名對象
}int main() {createA();  // 調(diào)用 createA 函數(shù)，返回的匿名對象立即銷毀return 0;
}

輸出：

A(int a) 構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用, _a = 100
~A() 析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用, _a = 100

解釋：

• 函數(shù)?createA?返回一個(gè)匿名對象，返回后立即銷毀。
• 匿名對象在不需要進(jìn)一步使用的情況下，能夠有效減少對象創(chuàng)建和銷毀的負(fù)擔(dān)。

6.4 匿名對象的注意事項(xiàng)

1. 生命周期短暫：匿名對象的生命周期只在當(dāng)前語句結(jié)束時(shí)有效，不能跨語句使用匿名對象。如果需要在多行代碼中使用對象，必須創(chuàng)建有名對象。

   錯(cuò)誤示例：

A obj = A(1); ?// 正確，有名對象 obj
A(1).foo(); ? ?// 匿名對象調(diào)用方法
// A(1); ? ? ? ?// 錯(cuò)誤：匿名對象無法在下一行使用

2.編譯器解析問題：在C++中，有些語法可能導(dǎo)致編譯器誤判為函數(shù)聲明而不是對象創(chuàng)建。因此，注意避免如下情況：

錯(cuò)誤示例：

A aa1(); ?// 被誤判為函數(shù)聲明，實(shí)際上不是對象的創(chuàng)建

正確用法：

A aa1(1);  // 明確創(chuàng)建對象

?3.匿名對象的返回值優(yōu)化（RVO）：現(xiàn)代C++編譯器通常會(huì)對匿名對象進(jìn)行優(yōu)化，在返回對象時(shí)避免多余的拷貝操作。這種優(yōu)化稱為返回值優(yōu)化（RVO）。

總結(jié)

• 匿名對象是沒有名字的臨時(shí)對象，生命周期非常短暫，通常用于一次性操作，如臨時(shí)調(diào)用成員函數(shù)或返回值。
• 匿名對象在表達(dá)式結(jié)束后立即調(diào)用析構(gòu)函數(shù)銷毀，適用于不需要持久化對象的場景。
• 匿名對象避免了額外的命名和管理開銷，在簡化代碼的同時(shí)提高了代碼的簡潔性和可讀性。

相信通過這篇文章你對C++類與對象高級(jí)部分的有了初步的了解。如果此篇文章對你學(xué)習(xí)C++有幫助，期待你的三連，你的支持就是我創(chuàng)作的動(dòng)力！！！

下一篇文章再會(huì).