当“友元”遇到“虚函数”

爱被打了一巴掌 2022-09-30 12:45 149阅读 0赞

前些天d2school QQ群里有网友在讨论这一内容，我试图做个整理。

几点基本知识：

1、如果类A是类B的友元，则类A(的成员函数)可以直接访问类B的私有成员。

2、友元不能继承。也就是说，类A是类B的友元，类D是类B的派生类，则类A并不会直接是类D的友元。通俗一点，父亲的朋友，并不天生就是儿子的朋友。

3、虚函数的基本知识就不说了。

来看下面的几段代码：

Code:

1.  class A;  
2.    
3.  class B  
4.  \{  
5.  private:  
6.      virtual void output()  
7.      \{  
8.          cout << "B::output" << endl;  
9.      \}  
10.       
11.     friend class A;       
12. \};  
13.   
14. class D : public B  
15. \{  
16. private:  
17.     virtual void output()  
18.     \{  
19.         cout << "D::output" << endl;  
20.     \}      
21. \};

A 是 B 的友元类， 而D是B的派生类。 所以，若想在A中直接访问D的代码，则编译不过：

Code:

1.  class A  
2.  \{  
3.  public:      
4.      void test()  
5.      \{  
6.          D d;  
7.          d.output(); //编译出错  
8.      \}  
9.  \};

这一点大家都没觉得有问题，毕竟书上写得都明白直观：父类的友元，并不会因为继承，而成为派生类的友元。

但若代码改成这样，编译器似乎就被欺骗了：

Code:

1.  class A  
2.  \{  
3.  public:      
4.      void test()  
5.      \{  
6.          D d;  
7.          B\* pb = &d;     
8.          pb->output(); //编译通过  
9.      \}  
10. \};

没错，很多人会认为这种代码，就算能通过编译器，也很可能是一种不好的代码，因为它怎么看都像是在欺骗编译器。是这样吗？先不讨论。先问一个问题： 上面的08行代码，output调用的是B类的那个output，还是D类的那个呢？

回答正确并不难——既然会认定这段代码带有“欺骗”性质，而且又注意到output是一个“虚函数”的话——就能能正确地解答： 调用的是D类的。A明明只是B的友元，但却通过一个简单的类型转换，就访问了D类的那个私有函数，所以会觉得这是一种“欺骗”。

如果这是一种欺骗，那我们先来回答这个骗局为什么能成立：因为“友元”的判断(resolve)，在编译期决定；而虚函数在运行期去resolve。在编译08行代码时，编译器看到\*pb的类型是B，而A是B的友元，所以允许它调用output（它认为是B::output）；而在运行时，由于output是虚函数，所以最终被决定到D::output头上。

没时间细查手头的《The Design and Evolution fo C++》，但不管这样的设计是有意为之，还是无奈之举，或者仅仅是C++众多的特性“正交”现象之一，我个人觉得这个特性其实正是我们想要的。

一、首先要理解为什么派生类不应该继承基类的"友元"，这一点很多C++的书讲到了

二、其次要理解它的语法机制：前面讲的，一个编译期属性与一个运行期属性相遇了……

三、要理解如果想关掉这一类欺骗，其实做不到。且来看看，该法之一是在编译期，也检查实际调用对象的类型，前面的示例代码不难做到这一点，但下面的代码中，pb来自一个形参：

Code:

1.  A::test\_2(B\* pb)  
2.  \{  
3.      pb->output(); //很难在编译期反查出pb的实际类型。  
4.                   //因为调用test\_2()的代码，可能无处不在，甚至可能在未来的代码  
5.  \}

四、要理解有时候，人们其实就是在故意做这种事，最典型的做法，就是通过非虚函数调用虚函数：

Code:

1.  class B  
2.  \{  
3.  public:  
4.      void Action()  
5.      \{  
6.               this\->DoAction();  
7.      \}  
8.  private:  
9.        virtual void DoAction() = 0; //一个私有的纯虚函数  
10.   
11.     //  friend class A; 
12. \};

任何一个合格的C++程序员，都应该学会这种作法。DoAction是一个纯虚函数，这里我们更决绝一点，干脆让它是私有的，这就是逼着派生类自己去实现一个完全自我的DoAction()，假设有个class D : public B，并且听话地实现了DoAction。具体D的定义，为节省点篇幅，不写了。

注意到第11行的注释， class A 现在已经不是 B 的友员了，但不要紧，我们只是想在新版的类A中，调用Action函数，而它是public的，所以这里不需要友元来搅和。

Code:

1.  class A  
2.  \{  
3.        void test()  
4.        \{  
5.                 B\* pb = new D; //pb 实际指向一个D对象。  
6.                 pb->Action(); // Action 是 公开的，所以可以调用  
7.        \}  
8.  \};

pb 调用了非虚的B::Action函数，但在Action内调用了虚函数DoAction，再由于pb实际指向的是D对象，所以最终调用的是D::DoAction()——这了无新意对不对？只要学过一点C++的多态，都会懂这一点。没错，它太司空见惯了，基本上所有C++程序员每天都会在写类似的代码——这就是我想说的，有时候，看起来在调用基类的代码，但实际上在调用派生类的代码。假设我们修改了语法规则，逼着虚函数在遇上友元之后失效，那就是逼着程序员不去用friend，去将更多本来应该是private的成员，用各种该法写成public的。

五、接着，是一个看起来很简单，但却被很多人误解的概念：友元是破坏了封装了吗？错，友元其实是促进了更好的封装。它基于这样的需求：有一个类，它有那么几个成员(数据或函数)，它只能对个别的其它类公开，这时，你可以考虑使用友元这项技术。如果不用，会有很多人就把那些成员直接修改为public，结果：原本应只对个别类开放的属性，变成对所有类开放了。俗气一点，法律规定老婆可以在私有场合下看老公的屁屁，如果法律强制规定不允许有这种例外，那很可能会有一些哥们，直接把屁股public出来就上街了——你若问他为什么，他也很无辜：我不过是想让我老婆方便一些。

六、读了第五点，对OO有一套的C++程序员要“笔试/鄙视”我了，好，好，我知道既使不用friend的属性，也可以美满地实现前述的，类似老婆看老公屁股的问题——我是说，通过OO技术，避开需要只对部分类开放权限的需求，而转化为第三方（比如某个接口及它的实现类）中——不管如何，你必须承认友元没有破坏封装性，因为其它解决这一问题的的，似乎更纯粹的OO技术，它们美好的地方是在于更细的类颗粒，以及更好的类组织（不美好地方是，效率差了点，以及对OO思想非得有点水准，否则会绕晕掉，为了不让Cer笑话，我们不提太多）。

七、不过，纵算如此（第六点），我还是是狡辩一句：就算是在那些看起来很纯的OO语言里，其实也有友元的影子啊。比如Java，是没有friend关键字，可以它的内部类（非静态的内部类），可以直接访问外部类，难道不是友元吗？——事实上，这也正是在C++使用friend最主旋律的用法（我甚至不用写“之一”）。再如Object Pascal(Delphi)，是没有friend关键字，可是只要是位于同一个代码单元（就是同一个.pas文件），则其中所有类天生就是可以互相访问啊（当然，需首先满足可见性）——这是当年我用Delphi时觉得最爽的地方之一了，既然号称更OO的语言都留了一手，为何C++不能呢？ ：）

八、第七点明显带有情绪化，这不符合C++之父对我们的期望： “rel="File-List" href="file:///C:/DOCUME~1/ZHUANG~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip\_filelist.xml" /> rel="themeData" href="file:///C:/DOCUME~1/ZHUANG~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip\_themedata.thmx" /> rel="colorSchemeMapping" href="file:///C:/DOCUME~1/ZHUANG~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip\_colorschememapping.xml" />在C++设计中有一条指导原则，那就是，无论做什么事情，都必须相信程序员。与可能出现什么样的错误相比，更重要得多的是能做出什么好事情。C++程序员总被看作是成年人……” 。在C++的大千世界，差异性永远被尊重， 有人不爱用template，那不用就是； 有人坚决认为只要有private和public就足够了，那就把protected忘记吧，甚至有人认为virtual也是多余的——很多人就是把C++当成另一种C使用，那都可以接受。friend也一样，如果你不用，它的存在并不会给你带来什么性能损失，你要做的就是用很OO或很不OO的，但是你熟悉的方法去满足友元的需求而已。

九、一定要这个第9点。 除了友元类，更常见的其实是友元函数。很多操作符的重载，都需要全局的友元函数来减轻相关类的public出太多成员。这一下扯到“操作符重载”有用吗？哇，这是另外一个经典的问题了，它曾经引起的纠纷，比这个“友元”所带来的，要热闹上几倍呢。就此打住。

十、最后一点，C++初学者如何学习这门语言众多的，又容易产生正交效应的特性呢？我有个建议：先有个基本了解，做点练习，但并不需要急着真正使用。

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对于这篇小文提到的知识点，你理解得怎样？想知道别人对友元与虚函数的关系理解程度吗？

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