當“友元”遇到“虛函數”

友元可以是一個函數，該函數被稱為友元函數；友元也可以是一個類，該類被稱為友元類。虛函數必須是基類的非靜態成員函數，其訪問權限可以是protected或public。

幾點基本知識：

1、如果類A是類B的友元，則類A(的成員函數)可以直接訪問類B的私有成員。

2、友元不能繼承。也就是說，類A是類B的友元，類D是類B的派生類，則類A並不會直接是類D的友元。通俗一點，父親的朋友，並不天生就是兒子的朋友。

3、虛函數的基本知識就不說了。

來看下面的幾段代碼：

Code:

class A;  
class B  
{  
private:  
virtual void output()  
{  
cout << "B::output" << endl;  
}  
friend class A;  
};  
class D : public B  
{  
private:  
virtual void output()  
{  
cout << "D::output" << endl;  
}  
};  
 
 

A 是 B 的友元類，而D是B的派生類。 所以，若想在A中直接訪問D的代碼，則編譯不過：

Code:

class A  
{  
public:  
void test()  
{  
D d;  
d.output(); //編譯出錯  
}  
};  

這一點大家都沒覺得有問題，畢竟書上寫得都明白直觀：父類的友元，並不會因為繼承，而成為派生類的友元。

但若代碼改成這樣，編譯器似乎就被欺騙了：

Code:

class A  
{  
public:  
void test()  
{  
D d;  
B* pb = &d;  
pb->output(); //編譯通過  
}  
}; 

沒錯，很多人會認為這種代碼，就算能通過編譯器，也很可能是一種不好的代碼，因為它怎麼看都像是在欺騙編譯器。是這樣嗎?先不討論。先問一個問題： 上面的08行代碼，output調用的是B類的那個output，還是D類的那個呢?

回答正確並不難——既然會認定這段代碼帶有“欺騙”性質，而且又注意到output是一個“虛函數”的話——就能能正確地解答： 調用的是D類的。A明明只是B的友元，但卻通過一個簡單的類型轉換，就訪問了D類的那個私有函數，所以會覺得這是一種“欺騙”。

如果這是一種欺騙，那我們先來回答這個騙局為什麼能成立：因為“友元”的判斷(resolve)，在編譯期決定;而虛函數在運行期去resolve。在編譯08行代碼時，編譯器看到*pb的類型是B，而A是B的友元，所以允許它調用output(它認為是B::output);而在運行時，由於output是虛函數，所以最終被決定到D::output頭上。

沒時間細查手頭的《The Design and Evolution fo C++》，但不管這樣的設計是有意為之，還是無奈之舉，或者僅僅是C++眾多的特性“正交”現象之一，我個人覺得這個特性其實正是我們想要的。

一、首先要理解為什麼派生類不應該繼承基類的"友元"，這一點很多C++的書講到了

二、其次要理解它的語法機制：前面講的，一個編譯期屬性與一個運行期屬性相遇了……

三、要理解如果想關掉這一類欺騙，其實做不到。且來看看，該法之一是在編譯期，也檢查實際調用對象的類型，前面的示例代碼不難做到這一點，但下面的代碼中，pb來自一個形參：

Code:

A::test_2(B* pb)  
{  
pb->output(); //很難在編譯期反查出pb的實際類型。  
//因為調用test_2()的代碼，可能無處不在，甚至可能在未來的代碼  
}  
 

四、要理解有時候，人們其實就是在故意做這種事，最典型的做法，就是通過非虛函數調用虛函數：

Code:

class B  
{  
public:  
void Action()  
{  
this->DoAction();  
}  
private:  
virtual void DoAction() = 0; //一個私有的純虛函數  
// friend class A;  
};  

任何一個合格的C++程序員，都應該學會這種作法。DoAction是一個純虛函數，這裡我們更決絕一點，干脆讓它是私有的，這就是逼著派生類自己去實現一個完全自我的DoAction()，假設有個class D : public B，並且聽話地實現了DoAction。具體D的定義，為節省點篇幅，不寫了。

注意到第11行的注釋， class A 現在已經不是 B 的友員了，但不要緊，我們只是想在新版的類A中，調用Action函數，而它是public的，所以這裡不需要友元來攪和。

Code:

class A  
{  
void test()  
{  
B* pb = new D; //pb 實際指向一個D對象。  
pb->Action(); // Action 是 公開的，所以可以調用  
}  
};  
 

pb 調用了非虛的B::Action函數，但在Action內調用了虛函數DoAction，再由於pb實際指向的是D對象，所以最終調用的是D::DoAction()——這了無新意對不對?只要學過一點C++的多態，都會懂這一點。沒錯，它太司空見慣了，基本上所有C++程序員每天都會在寫類似的代碼——這就是我想說的，有時候，看起來在調用基類的代碼，但實際上在調用派生類的代碼。假設我們修改了語法規則，逼著虛函數在遇上友元之後失效，那就是逼著程序員不去用friend，去將更多本來應該是private的成員，用各種該法寫成public的。

五、接著，是一個看起來很簡單，但卻被很多人誤解的概念：友元是破壞了封裝了嗎?錯，友元其實是促進了更好的封裝。它基於這樣的需求：有一個類，它有那麼幾個成員(數據或函數)，它只能對個別的其它類公開，這時，你可以考慮使用友元這項技術。如果不用，會有很多人就把那些成員直接修改為public，結果：原本應只對個別類開放的屬性，變成對所有類開放了。俗氣一點，法律規定老婆可以在私有場合下看老公的屁屁，如果法律強制規定不允許有這種例外，那很可能會有一些哥們，直接把屁股public出來就上街了——你若問他為什麼，他也很無辜：我不過是想讓我老婆方便一些。

六、讀了第五點，對OO有一套的C++程序員要“筆試/鄙視”我了，好，好，我知道既使不用friend的屬性，也可以美滿地實現前述的，類似老婆看老公屁股的問題——我是說，通過OO技術，避開需要只對部分類開放權限的需求，而轉化為第三方(比如某個接口及它的實現類)中——不管如何，你必須承認友元沒有破壞封裝性，因為其它解決這一問題的的，似乎更純粹的OO技術，它們美好的地方是在於更細的類顆粒，以及更好的類組織(不美好地方是，效率差了點，以及對OO思想非得有點水准，否則會繞暈掉，為了不讓Cer笑話，我們不提太多)。

七、不過，縱算如此(第六點)，我還是是狡辯一句：就算是在那些看起來很純的OO語言裡，其實也有友元的影子啊。比如Java，是沒有friend關鍵字，可以它的內部類(非靜態的內部類)，可以直接訪問外部類，難道不是友元嗎?——事實上，這也正是在C++使用friend最主旋律的用法(我甚至不用寫“之一”)。再如Object Pascal(Delphi)，是沒有friend關鍵字，可是只要是位於同一個代碼單元(就是同一個.pas文件)，則其中所有類天生就是可以互相訪問啊(當然，需首先滿足可見性)——這是當年我用Delphi時覺得最爽的地方之一了，既然號稱更OO的語言都留了一手，為何C++不能呢? ：)

八、第七點明顯帶有情緒化，這不符合C++之父對我們的期望： “ 在C++設計中有一條指導原則，那就是，無論做什麼事情，都必須相信程序員。與可能出現什麼樣的錯誤相比，更重要得多的是能做出什麼好事情。C++程序員總被看作是成年人……” 。在C++的大千世界，差異性永遠被尊重， 有人不愛用template，那不用就是; 有人堅決認為只要有private和public就足夠了，那就把protected忘記吧，甚至有人認為virtual也是多余的——很多人就是把C++當成另一種C使用，那都可以接受。friend也一樣，如果你不用，它的存在並不會給你帶來什麼性能損失，你要做的就是用很OO或很不OO的，但是你熟悉的方法去滿足友元的需求而已。

九、一定要這個第9點。 除了友元類，更常見的其實是友元函數。很多操作符的重載，都需要全局的友元函數來減輕相關類的public出太多成員。這一下扯到“操作符重載”有用嗎?哇，這是另外一個經典的問題了，它曾經引起的糾紛，比這個“友元”所帶來的，要熱鬧上幾倍呢。就此打住。

十、最後一點，C++初學者如何學習這門語言眾多的，又容易產生正交效應的特性呢?我有個建議：先有個基本了解，做點練習，但並不需要急著真正使用。

友元的作用是提高了程序的運行效率，即減少了類型檢查和安全性檢查等都需要時間開銷，但它破壞了類的封裝性和隱藏性，使得非成員函數可以訪問類的私有成員。而虛函數的作用則是為了實現多態。虛函數和友元總是會同時出現在一段程序中，希望通過本文，能解決你的困惑。