C++中友元类和嵌套类使用详解

更新时间：2022年08月19日 15:54:27 作者：Shawn-Summer

友元是一种允许非类成员函数访问类的非公有成员的一种机制。可以把一个函数指定为类的友元，也可以把整个类指定为另一个类的友元，所谓嵌套类，就是在类中声明的类。如下代码中，类Inner就是一个嵌套类，类Outer是外围类

前言

友元这个词,在学习类的时候肯定接触过,但是当时我们只用了很多友元函数。

友元有三种:

友元函数
友元类
友元类方法

类并非只能拥有友元函数,也可以将类作为友元。在这种情况下,友元类的所以方法都能访问原始类的私有成员和保护成员。另外,也可以做更严格的限制,只将特定的成员函数指定为另一个类的友元。

1. 友元类

假如我们有两个类:Tv电视机类,Remote遥控器类。那么这两个类是什么关系呢?既不是has-a关系,也不是 is-a关系,但是我们知道遥控器可以控制电视机,那么遥控器必须能够访问电视机的私有或保护数据。所以,遥控器就是电视机的友元。

类似于友元函数的声明,友元类的声明:

friend class Remote;

友元声明可以位于公有、私有或保护部分，其所在的位置无关紧要。

下面是代码实现:

//友元类1.h
#ifndef TV_H_
#define TV_H_
class Tv
{
private:
    int state;//On or Off
    int volume;//音量
    int maxchannel;//频道数
    int channel;//频道
    int mode;//有线还是天线,Antenna or Cable
    int input;//TV or DVD
public:
    friend class Remote;
    enum{Off,On};
    enum{MinVal,MaxVal=20};
    enum{Antenna,Cable};
    enum{TV,DVD};
    Tv(int s=Off,int mc=125):state(s),volume(5),maxchannel(mc),
                    channel(2),mode(Cable),input(TV){}
    void onoff(){state=(state==On)?Off:On;}
    bool ison() const{return state==On;}
    bool volup();
    bool voldown();
    void chanup();
    void chandown();
    void set_mode(){mode=(mode==Antenna)?Cable:Antenna;}
    void set_input(){input=(input==TV)?DVD:TV;}
    void settings() const;//display all settings
};
class Remote
{
private:
    int mode;//控制TV or DVD
public:
    Remote(int m=Tv::TV):mode(m){};
    bool volup(Tv & t){return t.volup();}
    bool voldown(Tv & t){return t.voldown();}
    void onoff(Tv &t){t.onoff();}
    void chanup(Tv &t){t.chanup();}
    void chandown(Tv &t){t.chandown();}
    void set_chan(Tv &t,int c){t.channel=c;}
    void set_mode(Tv &t){t.set_mode();}
    void set_input(Tv &t){t.set_input();}
};
#endif

//友元类1.cpp
#include"友元类1.h"
#include<iostream>
bool Tv::volup()
{
    if(volume<MaxVal)
    {
        volume++;
        return true;
    }
    else
        return false;
}
bool Tv::voldown()
{
    if(volume>MinVal)
    {
        volume--;
        return true;
    }
    else
        return false;
}
void Tv::chanup()
{
    if(channel<maxchannel)
        channel++;
    else 
        channel=1;
}
void Tv::chandown()
{
    if(channel>1)
        channel--;
    else
        channel=maxchannel;
}
void Tv::settings() const
{
    using std::cout;
    using std::endl;
    cout<<"Tv is "<<(state==Off? "Off":"On")<<endl;
    if(state==On)
    {
        cout<<"Volume setting = "<<volume<<endl;
        cout<<"Channel setting = "<<channel<<endl;
        cout<<"Mode = "
            <<(mode==Antenna?"antenna":"cable")<<endl;
        cout<<"Input = "
            <<(input==TV?"TV":"DVD")<<endl;
    }
}

//友元类1main.cpp
#include<iostream>
#include"友元类1.h"
int main()
{
    using std::cout;
    Tv s42;
    cout<<"Initial setting for 42\" TV:\n";
    s42.settings();
    s42.onoff();
    s42.chanup();
    cout<<"\nAdjusted settings for 42\" TV:\n";
    s42.settings();
    Remote grey;
    grey.set_chan(s42,10);
    grey.volup(s42);
    grey.volup(s42);
    cout<<"\n42\" settings after using remote:\n";
    s42.settings();
    Tv s58(Tv::On);
    s58.set_mode();
    grey.set_chan(s58,28);
    cout<<"\n58\" settings:\n";
    s58.settings();
    return 0;
}

PS D:\study\c++\path_to_c++> g++ -I .\include\ -o 友元类1 .\友元类1.cpp .\友元类1main.cpp
PS D:\study\c++\path_to_c++> .\友元类1.exe
Initial setting for 42" TV:
Tv is Off

Adjusted settings for 42" TV:
Tv is On
Volume setting = 5
Channel setting = 3
Mode = cable
Input = TV

42" settings after using remote:
Tv is On
Volume setting = 7
Channel setting = 10
Mode = cable
Input = TV

58" settings:
Tv is On
Volume setting = 5
Channel setting = 28
Mode = antenna
Input = TV

总之,友元类和友元函数很类似,不需要过多说明了。

2. 友元成员函数

在上面那个例子中,我们知道大部分Remote方法都是用Tv类的公有接口实现的。这意味着这些方法不是真正需要作为友元。事实上,只有一个直接访问Tv的私有数据的Remote方法即Remote::chan(),因此它才是唯一作为友元的方法。我们可以选择仅让特定的类成员成为另一个类的友元,而不必让整个类成为友元,但这样做会有一些麻烦。

让Remote::chan()成为Tv类的友元的方法是,在Tv类声明中将其声明为友元:

class Tv
{
    friend void Remote::set_chan(Tv & t,int c);
    ...
}

但是,编译器能处理这条语句,它必须知道Remote的定义。否则,它就不知道Remote::set_chan是什么东西。所以我们必须把Remote的声明放到Tv声明的前面。但是Remote声明中同样提到了TV类,那么我们必须把TV声明放到Remote声明的前面。这就发生了循环依赖。我们得使用前向声明(forward declaration) 来解决这一问题。

class Tv;
class Remote{...};
class Tv{...};

但是,还有一点麻烦需要解决:Remote的类声明中不能直接给出成员函数的定义了,因为这些函数会访问Tv类成员,而Tv类的成员的声明是Remote类的后面的。那么我们必须在Remote的类声明外给出方法定义。

代码实现:

//友元成员函数1.h
#ifndef TVFM_H_
#define TVFM_H_
class Tv;
class Remote
{
public:
    enum{Off,On};
    enum{MinVal,MaxVal=20};
    enum{Antenna,Cable};
    enum{TV,DVD};
private:
    int mode;//控制TV or DVD
public:
    Remote(int m=TV):mode(m){};
    bool volup(Tv & t);
    bool voldown(Tv & t);
    void onoff(Tv &t);
    void chanup(Tv &t);
    void chandown(Tv &t);
    void set_chan(Tv &t,int c);
    void set_mode(Tv &t);
    void set_input(Tv &t);
};
class Tv
{
private:
    int state;//On or Off
    int volume;//音量
    int maxchannel;//频道数
    int channel;//频道
    int mode;//有线还是天线,Antenna or Cable
    int input;//TV or DVD
public:
    friend void Remote::set_chan(Tv &t,int c);
    enum{Off,On};
    enum{MinVal,MaxVal=20};
    enum{Antenna,Cable};
    enum{TV,DVD};
    Tv(int s=Off,int mc=125):state(s),volume(5),maxchannel(mc),
                    channel(2),mode(Cable),input(TV){}
    void onoff(){state=(state==On)?Off:On;}
    bool ison() const{return state==On;}
    bool volup();
    bool voldown();
    void chanup();
    void chandown();
    void set_mode(){mode=(mode==Antenna)?Cable:Antenna;}
    void set_input(){input=(input==TV)?DVD:TV;}
    void settings() const;//display all settings
};
inline bool Remote::volup(Tv & t){return t.volup();}
inline bool Remote::voldown(Tv & t){return t.voldown();}
inline void Remote::onoff(Tv &t){t.onoff();}
inline void Remote::chanup(Tv &t){t.chanup();}
inline void Remote::chandown(Tv &t){t.chandown();}
inline void Remote::set_chan(Tv &t,int c){t.channel=c;}
inline void Remote::set_mode(Tv &t){t.set_mode();}
inline void Remote::set_input(Tv &t){t.set_input();}
#endif

之前我们说过,内联函数的链接性是内部的,这就意味著函数定义必须在使用函数的文件中。在上面的代码中,内联函数的定义位于头文件中。当然你也可以将定义放在实现文件中,但必须删除关键字inline,这样函数的链接性将是外部的。

还有就是,我们直接让整个Remote类成为友元并不需要前向声明,因为友元语句已经指出Remote是一个类:

friend class Remote;。

总之,不推荐使用友元成员函数,使用友元类完全可以达到相同的目的。

3. 其他友元关系

3.1 成为彼此的友元类

还是电视机和遥控器的例子,我们知道遥控器能控制电视机,但是我告诉你,现代电视机也是可以控制遥控器的。例如,我们现在可以在电视上玩角色扮演游戏,当你控制的角色从高处落入水中时,遥控器(手柄)会发出振动模拟落水感。那么,遥控器是电视机的友元,电视机也是遥控器的友元,那么它们互为友元。

class Tv
{
friend class Remote;
public:
    void buzz(Remote & r);
    ...
};
class Remote
{
friend class Tv;
public:
    void bool volup(Tv &t){t.volup();}
    ...
};
inline void Tv::buzz(Remote &r)
{
    ...
}

这里buzz函数的定义必须放到Remote类声明的后面,因为buzz的定义中会使用到Remote的成员。

3.2 共同的友元

使用友元的另一种情况是,函数需要访问两个类的私有数据,那么必须这样做:函数既是一个类的友元也是另一个类的友元.

例如,有两个类Analyzer和Probe,我们需要同步它们的时间成员:

class Analyzer;
class Probe
{
    friend void sync(Analyzer & a,const Probe &p);
    friend void sync(Probe &p,const Analyzer &a);
};
class Probe
{
    friend void sync(Analyzer & a,const Probe &p);
    friend void sync(Probe &p,const Analyzer &a);
};
inline void sync(Analyzer & a,const Probe &p)
{
    ...
}
inline void sync(Probe &p,const Analyzer &a)
{
    ...
}

4. 嵌套类

在C++中我们可以将类声明放在另一个类中。在另一个类中声明的类被称为嵌套类。

实际上,嵌套类很简单,它的原理和类中声明结构体、常量、枚举、typedef、名称空间是一样的，这些技术我们一直都在使用。

对类进行嵌套和包含是不一样的。包含意味著将类对象作为另一个类的成员,而对类进行嵌套不创建类成员,而是定义了一种类型,该类型仅在包含嵌套类的类中有效。

一般来说我们使用嵌套类是为了帮助实现另一个类,并避免名称冲突

嵌套类的作用域和访问控制

作用域

如果嵌套类是在另一个类的私有部分声明的,那么只能在后者的类作用域中使用它,派生类以及外部世界无法使用它。

如果嵌套类是在另一个类的保护部分声明的,那么只能在后者、后者的派生类的类作用域中使用该嵌套类,外部世界无法使用它。

如果嵌套类是在另一个类的公有部分声明的，那么能在后者、后者的派生类和外部世界中使用它。

class Team
{
public:
    class Coach{...}
    ...
};

上面的Coach就是一个公有部分的嵌套类,那么我们可以这样:

Team::Coach forhire;

总之,嵌套类的作用域和类中声明结构体、常量、枚举、typedef、名称空间是一样。但是对于枚举量来说，我们一般把它放在类的公有部分，例如ios_base类中的各种格式常量：ios_base::showpoint等。

访问控制

嵌套类的访问控制和常规类是一模一样的,嵌套类也有public,private,protected,只有公有部分对外部世界开放。

例如:

class A
{
    class B
    {
    private:
        int num;
    public 
        void foo();
    };
};

则在A的类作用域中,可以创建B对象,并使用B.foo()方法。

看看一个类模板中使用嵌套类的例子:

#ifndef QUEUETP_H_
#define QUEUETP_H_
template<typename Item>
class QueueTP
{
private:
    enum{Q_SIZE=10};
    class Node
    {
    public:
        Item item;
        Node *next;
        Node(const Item & i):item(i),next(0){}
    };
    Node *front;
    Node *rear;
    int items;
    const int qsize;
    QueueTP(const QueueTP &q):qsize(0){}//抢占定义,赋值构造函数
    QueueTP & operator=(const QueueTP &q){return *this;}//抢占定义
public:
    QueueTP(int qs=Q_SIZE):qsize(qs)
    {
        front = rear =0;
        items=0;
    }
    ~QueueTP()
    {
        Node* temp;
        while (front !=0)
        {
            temp=front;
            front=front->next;
            delete temp;
        }
    }
    bool isempty() const
    {
        return items==0;
    }
    bool isfull() const
    {
        return items==qsize;
    }
    int queuecount() const
    {
        return items;
    }
    bool enqueue(const Item & item)
    {
        if(isfull())
            return false;
        Node * add = new Node(item);
        items++;
        if(front==0)
            front=add;
        else
            rear->next=add;
        rear=add;
        return true;
    }
    bool dequeue(Item &item)
    {
        if(front==0)
            return 0;
        item=front->item;
        items--;
        Node * temp=front;
        front=front->next;
        delete temp;
        if(items==0)
            rear=0;
        return true;
    }
};
#endif

到此这篇关于C++中友元类和嵌套类使用详解的文章就介绍到这了,更多相关C++友元类和嵌套类内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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