C++友元函數：解放私有成員的訪問限制

一、友元函數的概念

在C++中，一個類可以將其一些私有成員賦予其它的類或者函數訪問權限，稱為友元函數。

class A {
private:
    int x;
    void sayHi() {
        std::cout << "Hi, I'm A." << std::endl;
    }
    friend void B::print(A a);
};

class B {
public:
    void print(A a) {
        std::cout << a.x << std::endl; // a.x可以訪問，因為B是A的友元類
        a.sayHi(); // a.sayHi()可以訪問，因為B是A::sayHi()的友元函數
    }
};

在上面的代碼中，A將print函數聲明為友元函數，使其可以訪問A的私有成員x和sayHi函數。在B的print函數中，也可以調用A的sayHi函數。

二、友元函數的作用

友元函數可以解決某些場景下的訪問限制問題。

三、友元函數與運算符重載

另一個常見的友元函數使用場景是運算符重載。在運算符重載中，為了讓函數能夠訪問類的私有數據成員，需要將這個函數聲明為類的友元函數。

class Rational {
public:
    Rational(int a = 0, int b = 1) : num(a), den(b) {}
    friend Rational operator+(Rational r1, Rational r2) {
        return Rational(r1.num * r2.den + r2.num * r1.den, r1.den * r2.den);
    }
private:
    int num;
    int den;
};

在上面的代碼中，將operator+函數聲明為Rational的友元函數，使其可以訪問Rational的私有成員num和den。這樣，+運算符才能正確地計算兩個有理數的和。

四、友元類

除了友元函數，C++還有另一個友元概念：友元類。友元類是指在類中聲明另一個類為友元，使其能夠訪問當前類的私有成員。

class A {
friend class B;
private:
    int x;
};
class B {
public:
    void print(A a) {
        std::cout << a.x << std::endl; // 可以訪問A的私有成員x
    }
};

在上面的代碼中，A將B聲明為友元類，使其能夠訪問A的私有成員x。

五、友元函數的缺點

儘管友元函數有一些好處，但過度使用友元函數會破壞類的封裝性，使類中的私有成員變得透明，降低代碼的可維護性和可復用性。

六、友元類與繼承

當類B是類A的友元類時，B可以訪問A的私有成員。如果類C繼承類A，且將B聲明為其友元類，那麼B也可以訪問C的私有成員。

class A {
friend class B;
private:
    int x;
};
class C : public A {
friend class B;
private:
    int y;
};
class B {
public:
    void print(A a) {
        std::cout << a.x << std::endl; // 可以訪問A的私有成員x
    }
    void print(C c) {
        std::cout << c.x << " " << c.y << std::endl; // 可以訪問C的私有成員x和y
    }
};

七、友元函數的例子：矩陣乘法

友元函數的另一個常見使用場景是在矩陣類中實現矩陣乘法。在矩陣乘法中，需要訪問另一個矩陣的私有成員，因此需要將矩陣乘法函數聲明為矩陣類的友元函數。

class Matrix {
public:
    Matrix(int r = 0, int c = 0) : rows(r), cols(c) {
        data = new int[rows * cols];
    }
    Matrix(const Matrix& m) : rows(m.rows), cols(m.cols) {
        data = new int[rows * cols];
        std::copy(m.data, m.data + rows * cols, data);
    }
    ~Matrix() {
        delete[] data;
    }
    friend Matrix operator*(const Matrix& m1, const Matrix& m2) {
        assert(m1.cols == m2.rows);
        Matrix res(m1.rows, m2.cols);
        for (int i = 0; i < m1.rows; ++i) {
            for (int j = 0; j < m2.cols; ++j) {
                int sum = 0;
                for (int k = 0; k < m1.cols; ++k) {
                    sum += m1.data[i * m1.cols + k] * m2.data[k * m2.cols + j];
                }
                res.data[i * res.cols + j] = sum;
            }
        }
        return res;
    }
private:
    int rows;
    int cols;
    int* data;
};

在上面的代碼中，將operator*函數聲明為Matrix的友元函數，使其可以訪問另一個矩陣的私有成員。