类与对象（5）

上一章是类与对象（4）-CSDN博客 深入了构造函数和静态成员，大概讲解了类型转换

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友元

在 C++ 中，友元提供了一种突破类的访问控制（封装）的方式。通过友元，外部的函数或类可以访问类的私有成员和保护成员。友元分为友元函数和友元类。在类声明中使用 friend 关键字来声明友元。

友元函数

• 定义：友元函数并不是类的成员函数，但它可以访问类的私有和保护成员。友元函数是在类的外部定义的独立函数，通过 friend 声明，告诉编译器这个函数可以访问类的私有成员。

• 声明位置：友元函数的声明位置可以在类定义中的任何地方。它不受类的访问权限（如 private、protected、public）的限制，可以在类定义中的任意位置声明。

• 作用：友元函数的主要作用是允许外部函数访问类的私有成员，从而为一些特殊的需求提供便利。由于它不是类的成员函数，所以它不属于类的一部分，但是它拥有对类私有成员的访问权限。

class Box {
private:int length;
public:Box() : length(0) {}// 友元函数声明friend void setLength(Box& b, int len);
};// 友元函数定义
void setLength(Box& b, int len) {b.length = len;  // 可以访问 Box 类的私有成员
}

• 多重友元：一个函数可以是多个类的友元函数。例如，func1 可以是 ClassA 和 ClassB 的友元函数，可以同时访问这两个类的私有成员。

class ClassA;
class ClassB;void func1(ClassA& a, ClassB& b);  // 友元函数可以访问多个类的私有成员

友元类

• 定义：友元类是一个类，它可以访问另一个类的私有和保护成员。当一个类是另一个类的友元类时，友元类的所有成员函数都有权访问被友元类的私有成员。友元类的关系也是单向的，即如果 ClassA 是 ClassB 的友元类，那么 ClassB 并不是 ClassA 的友元类。

• 关系：友元类的成员函数可以访问另一个类的私有成员，意味着友元类可以通过它的成员函数来操作其他类的私有数据。即使 ClassA 和 ClassB 中有相同的私有成员，友元类的成员函数仍然可以直接访问。

class ClassB;class ClassA {
private:int dataA;
public:ClassA() : dataA(0) {}// 将 ClassB 作为友元类friend class ClassB;
};class ClassB {
public:void modify(ClassA& a) {a.dataA = 10;  // 可以访问 ClassA 的私有成员}
};

友元关系的特点

1. 单向性：友元关系是单向的。比如，ClassA 是 ClassB 的友元类，但这并不意味着 ClassB 也是 ClassA 的友元类。要实现双向友元关系，必须显式地将另一个类声明为友元。

2. 不可传递性：友元关系是不可传递的。即使 ClassA 是 ClassB 的友元，ClassB 又是 ClassC 的友元，这并不意味着 ClassA 是 ClassC 的友元。友元关系不能像继承一样传递。

3. 友元函数和友元类的访问权限：友元函数和友元类的成员函数可以访问类的私有成员和保护成员。虽然它们不是类的成员，但它们被授权访问类内部的实现细节。

4. 增加耦合度：友元关系虽然可以提供便利，但也会使得类之间的耦合度增加。特别是当多个类间相互成为友元时，会破坏类的封装性，因为这会使得类的内部实现细节暴露给外部的类或函数。

   因此，尽量避免滥用友元，应该仅在确实需要的情况下才使用它。友元函数和友元类往往用于某些特定的场景，比如操作符重载、类之间的协作等。

为什么使用友元

1. 访问权限的突破：友元最主要的功能就是突破类的访问权限控制，使得其他函数或类可以访问类的私有成员。这在某些特殊情况下非常有用，尤其是当你需要在类外部操作类的私有数据时。

2. 实现操作符重载：在 C++ 中，很多操作符重载（如 << 和 >> 输入输出流操作符）通常需要将类定义为友元，以便能够访问类的私有成员。

友元的使用建议

尽管友元为我们提供了方便的功能，但它也会增加类之间的耦合度，破坏封装性。因此，友元函数和友元类的使用要谨慎，避免过度依赖友元。如果可能，尽量通过类的公有接口来访问类的私有数据，而不是使用友元。

内部类

内部类是在一个类的内部定义的类，它和普通类相比主要有一些特殊的作用域和访问权限规则。通过将一个类定义在另一个类的内部，可以增加封装性，使得类与类之间的关系更加紧密。以下是对内部类的详细讲解：

定义和特点

• 独立性：内部类本质上是一个独立的类，它有自己的作用域和生命周期。它不像外部类那样受到全局作用域的限制，而是仅限于外部类的作用域内。

  尽管它被定义在外部类的内部，内部类依然是一个完整的类，与外部类没有直接的继承或包含关系。例如，外部类 A 内部定义的类 B，B 仍然是一个独立的类。

• 访问限定符限制：内部类受外部类的访问限定符（private、protected、public）的影响。如果外部类是 private，那么内部类也会受到同样的限制；如果外部类是 public，那么内部类的访问限制会根据其自身的声明来决定。

• 外部类不包含内部类：外部类的对象中并不会包含内部类对象，除非明确实例化内部类的对象。内部类是外部类的一个成员，但外部类并没有包含内部类作为其成员变量的一部分。

内部类的访问权限

1. 默认友元类：内部类默认是外部类的友元类，这意味着内部类可以访问外部类的所有私有成员和保护成员。反过来，外部类无法直接访问内部类的私有成员，除非通过公开的接口。

   例如：

   class Outer {
   private:int x;
   public:Outer() : x(10) {}class Inner {public:void accessOuter(Outer& o) {// 内部类访问外部类的私有成员cout << "Accessing Outer's private member x: " << o.x << endl;}};
   };int main() {Outer::Inner inner;Outer outer;inner.accessOuter(outer);  // 访问外部类的私有成员return 0;
   }
   

2. 作用域控制：内部类只能在外部类的作用域中被访问，这使得它只能在外部类中使用，增强了封装性。其他类无法直接访问或创建外部类内部的类。

设计上的优势

• 封装性：内部类常用于增强封装。当两个类之间有非常紧密的关系时，把一个类设计为另一个类的内部类是非常合适的。这种设计可以把一个类完全限制在另一个类的作用域中，只在必要的时候才提供外部访问。

• 专属类设计：如果你有一个类，它只会被另一个类使用，且不需要外部其他地方访问时，可以将其作为内部类进行设计。例如，B 类仅为 A 类提供某些服务，那么就可以把 B 类设计成 A 类的内部类，而不暴露给外部。

• 类之间的紧密联系：内部类的设计使得两个类之间的关系更加紧密。A 类和 B 类不再是松散的独立实体，它们有着更加明确的隶属关系。比如，你可以将 B 类的成员限制为只在 A 类的作用域内使用，避免了外部使用时的误操作。

 内部类的常见用法

• 辅助类的设计：当一个类需要一个辅助类来完成一些特定任务，但这个辅助类并不需要被外部访问时，可以考虑将其设计为内部类。

class Outer {
public:class Helper {public:void helperFunction() {cout << "Helper Function!" << endl;}};
};int main() {Outer::Helper helper;helper.helperFunction();  // 只能通过外部类访问内部类return 0;
}

• 面向对象设计中的迭代器模式：内部类常常在容器类设计中使用，例如，设计一个迭代器类作为内部类，以便访问容器的私有数据。

class Container {
private:vector<int> data;
public:class Iterator {private:vector<int>::iterator it;public:Iterator(vector<int>::iterator iterator) : it(iterator) {}int operator*() { return *it; }Iterator& operator++() { ++it; return *this; }bool operator!=(const Iterator& other) { return it != other.it; }};Container() {data.push_back(1);data.push_back(2);data.push_back(3);}Iterator begin() { return Iterator(data.begin()); }Iterator end() { return Iterator(data.end()); }
};int main() {Container c;for (auto it = c.begin(); it != c.end(); ++it) {cout << *it << " ";  // 通过迭代器访问容器数据}return 0;
}

内部类的注意点

1. 与外部类紧密耦合：内部类和外部类之间有较强的耦合性。如果外部类发生变化，内部类也可能需要做相应的调整。因此，在设计时需要考虑这种耦合度是否符合预期的设计目标。

2. 访问控制：尽管内部类可以访问外部类的私有成员，但外部类不能直接访问内部类的私有成员。如果你希望外部类也能访问内部类的成员，可以提供适当的公有接口。

3. 内存管理：如果内部类和外部类的对象关系密切，需要特别注意内存管理问题，避免出现不必要的内存泄漏或引用问题。

匿名对象

在编程中，匿名对象是没有名字的临时对象。相比传统的有名字的对象（比如“类型 对象名(实参)”），匿名对象通过“类型(实参)”的方式被临时创建。这种方式极大地简化了代码，避免了不必要的命名，同时也能清晰地表达我们只关心对象的短期行为，而不需要后续访问它。

特点：

1. 短生命周期：匿名对象的生命周期异常短暂，它们只存在于当前的代码行内。换句话说，它们就像是昙花一现，创建后立刻完成任务并销毁，不会占用额外的内存或资源。对于只需要执行一次特定任务的情况，匿名对象完美适用。

2. 临时性与独立性：匿名对象没有名称，它们是孤立的，不会与程序中的其他部分发生联系。它们的作用通常仅限于创建它们的那一行代码，在这一行结束后，它们会立刻被销毁。这种“即生即死”的特性让它们非常适合于一次性的操作。

class Person {
public:Person(const std::string& name) {std::cout << "Creating Person: " << name << std::endl;}~Person() {std::cout << "Destroying Person." << std::endl;}
};int main() {// 使用匿名对象创建并立即执行操作Person("Alice");// 匿名对象在这一行结束后销毁return 0;
}

在上面的代码中，Person("Alice") 是一个匿名对象。它在这行代码执行时创建，完成打印操作后，它就会立即销毁。整个过程没有变量名，也不需要开发者去管理它的生命周期，C++ 会自动处理。

匿名对象的实际用途：

• 简洁高效：有时你只需要临时创建一个对象来完成某项任务，匿名对象能够简洁地实现这一点。例如，你可能只是需要创建一个对象传递给某个函数，而不需要在整个程序中反复使用它。这样就不需要定义多余的变量名，代码既简洁又清晰。

  例如，我们常见的流操作中，经常用到匿名对象：

std::cout << "Hello, World!" << std::endl;

这里的 std::cout 和 std::endl 都是匿名对象，创建后立即使用，之后会被销毁。

• 临时传参：当函数需要传递一个临时对象时，匿名对象尤其有用。例如，构造函数或方法可能需要接受一个临时对象作为参数，匿名对象正好可以完成这一任务，而无需为对象额外命名。

class Rectangle {
public:Rectangle(int width, int height) {std::cout << "Creating Rectangle with width " << width << " and height " << height << std::endl;}
};void printArea(const Rectangle& rect) {// 输出面积
}int main() {// 直接传递匿名对象printArea(Rectangle(5, 10));
}

这里，Rectangle(5, 10) 就是一个匿名对象，它仅仅为了传递给 printArea 方法而创建，之后立即销毁。

匿名对象的局限性：        

• 生命周期有限：匿名对象的生命周期极为短暂，它们无法在代码的其他地方使用。一旦当前代码行执行完毕，匿名对象即刻销毁，内存被回收。因此，如果你想在其他地方访问该对象的数据或方法，显然匿名对象无法满足需求。

• 不可引用或修改：由于匿名对象没有名称，你无法像有名对象那样通过指针或引用来操作它们。如果你的代码需要反复操作一个对象，或者保持该对象的状态，使用匿名对象则不合适。

对象拷贝时的编译器优化

在现代 C++ 编译器中，优化对象拷贝的过程是提高程序性能的重要手段。尤其是在对象传递和返回时，拷贝操作可能是一个性能瓶颈。为了提高效率，编译器会尽量避免不必要的对象拷贝，尤其是在不影响程序正确性的情况下，进行一些“聪明”的优化。

编译器优化的基本原则：

编译器的目标是尽量减少不必要的拷贝操作，提高程序的执行效率。在某些情况下，拷贝操作可能是多余的，编译器会在编译阶段识别这些冗余的拷贝并尝试消除它们。这些优化主要集中在以下几个方面：

1. 避免临时对象的拷贝：如果一个函数的参数是传值形式，并且传递给函数的实参是一个临时对象，编译器可能会识别到这个临时对象在函数结束后并不再使用，从而避免了不必要的拷贝。

2. 合并拷贝：现代编译器会识别出在同一个表达式中连续发生的多个拷贝操作，并尝试将它们合并，减少拷贝的次数。这种优化会在表达式的计算过程中自动完成，而不需要程序员干预。

3. 跨行跨表达式的优化：一些更“激进”的编译器会进行跨行或跨表达式的优化。即使是在不同代码行或表达式中发生的对象拷贝，编译器也可能会发现这些拷贝是冗余的，并将它们合并成一次有效的拷贝操作。

示例：合并拷贝的优化

class Person {
public:Person(const std::string& name) : name(name) {}std::string name;
};Person createPerson() {return Person("Alice");
}int main() {Person p1 = createPerson();   // 对象拷贝1Person p2 = p1;                // 对象拷贝2return 0;
}

在这段代码中，我们有两个对象拷贝：

• 第一个拷贝发生在 createPerson() 函数返回时。这里返回了一个临时对象，通常会发生一次拷贝。
• 第二个拷贝发生在 p2 = p1 时，这又是一次拷贝。

在没有优化的情况下，编译器可能会执行两次拷贝。然而，现代编译器（例如 GCC、Clang、MSVC）会进行优化，合并这些拷贝。具体的优化方式可能包括：

• 使用 返回值优化（RVO） 或 命名返回值优化（NRVO） 来避免 createPerson() 函数中的临时对象拷贝。
• 对于 p2 = p1，如果编译器发现 p1 和 p2 实际上是完全相同的对象（无副作用的赋值），它可能会直接将 p1 的内容移动到 p2，从而避免拷贝。

进一步的优化：移动语义

随着 C++11 引入的移动语义，编译器在拷贝和赋值时可以进一步优化。例如，使用 std::move 或者编译器能够自动识别某些场景并将拷贝操作转换为移动操作，从而减少不必要的数据复制。

Person createPerson() {return Person("Alice"); // 返回临时对象
}int main() {Person p1 = createPerson();   // 返回值优化 (RVO)，避免拷贝Person p2 = std::move(p1);    // 移动构造函数，避免拷贝return 0;
}

在这种情况下，std::move(p1) 会将 p1 的资源“转交”给 p2，而不需要拷贝数据，从而进一步提高性能。

编译器优化的实现

不同的编译器可能有不同的优化策略，编译器在拷贝操作时进行的优化可能有所不同。主流编译器如 GCC、Clang 和 MSVC 都有一定的优化能力，能够识别不必要的拷贝，并在可能的情况下进行合并和消除。然而，C++ 标准并没有明确规定编译器应该如何优化对象拷贝，因此不同编译器之间的实现可能会有所差异。

• GCC 和 Clang：这两个编译器非常注重性能，它们有能力通过 RVO、NRVO 和移动语义进行深度优化，甚至跨表达式、跨行合并拷贝。
• MSVC：微软的编译器也具备类似的优化能力，特别是在进行 STL 容器操作时，MSVC 的编译器在拷贝构造和赋值操作中有显著的优化。

结束！