C++友元类和嵌套类

Shawn-Summer 2022-09-29 我要评论

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