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C++命名空間與友元函數

編輯：關於C語言

最近在寫地瓜皮，使用命名空間同時使用友元函數的時候發生了一個神奇的compile error，經過思考，終於將問題解決了。現在發布出來，希望能夠對大家有所幫助。

先簡單說說命名空間。在寫C工程的時候，尤其是萬行以上的程序，命名空間沖突是一個很讓人崩潰的事情。目前使用的最多的解決辦法就是把函數的名字搞的非常非常長學過GTK的同學應該有所體會）。在C++中，增加了一個叫做“命名空間”的特性，它由關鍵字“namespace”來聲明、定義和使用。相信學過C++的同學對“命名空間”的使用方法都有了比較深入的理解，我在此就不再介紹了。

而當我們有時需要重載類的某些運算符的時候，又難以避免地用到“友元函數”。曾經有過大牛批判過“友元函數”破壞類的封裝性。不過對於我這種低水平的coder，“友元函數”確實帶來了不少方便的地方。

問題一：

先給大家看一個簡單的代碼：

class istream; 
istream& operator>>(istream&,int&); 
class CA 
{ 
    int a; 
    friend istream& operator>>(istream&,CA& ); 
}; 
istream& operator>>(istream& is,CA& a) 
{ 
    is>>a.a; 
    return is; 
} 
int main() 
{ 
   extern istream stream; 
   elephant::CA a; 
   stream>>a;
}

保存為a.cpp之後編譯不要鏈接）。

g++ -c a.cpp

由於這裡沒有istream這個類的定義，所以鏈接肯定會失敗。使用-c選項只編譯不鏈接。

這時編譯沒有任何問題。

當我想把CA這個類包含在一個elephant命令空間後，出現問題了。用代碼說話：

class istream; 
istream& operator>>(istream&,int&); 
namespace elephant 
{ 
    class CA 
    { 
        int a; 
        friend istream& operator>>(istream&,CA& ); 
    }; 
} 
istream& operator>>(istream& is,elephant::CA& a) 
{ 
    is>>a.a; 
    return is; 
} 
int main() 
{ 
   extern istream stream; 
   elephant::CA a; 
   stream>>a;
}

同樣，只編譯，不鏈接，報告錯誤：

# g++ -c a.cpp
a.cpp: In function ‘istream& operator>>(istream&, elephant::CA&)’:
a.cpp:7: error: ‘int elephant::CA::a’ is private
a.cpp:13: error: within this context

說啥？說a是私有成員，不能訪問。我都讓你friend了，你告訴我不能訪問，這是怎麼回事？

我們嘗試修改一下代碼，將operator>>函數也加入elephant命名空間，即，將第11行改成：

istream& elephant::operator>>(istream& is,elephant::CA& a)

只編譯，不鏈接，報告錯誤：

＃ g++ -c a.cpp
a.cpp:11: error: ‘istream& elephant::operator>>(istream&, elephant::CA&)’ should have been declared inside ‘elephant’

它說這個函數應該在elephant命名空間裡面declare一下相信大家能夠區分declare和define的區別，前一個是“聲明”，後一個是“定義”）。那麼我們就declare一下。完整代碼如下：

class istream; 
istream& operator>>(istream&,int&); 
namespace elephant 
{ 
    class CA 
    { 
        int a;
        friend istream& operator>>(istream&,CA& ); 
    }; 
    istream& operator>>(istream&,CA&); 
} 
istream& elephant::operator>>(istream& is,elephant::CA& a) 
{ 
    is>>a.a; 
    return is; 
} 
int main() 
{ 
    extern istream stream; 
    elephant::CA a; 
    stream>>a; 
}

只編譯，不鏈接。編譯成功。

總結：

1、friend沒有對函數進行聲明，所以我們要另外聲明一下這個函數。friend僅僅是告訴這個類，這個函數對這個類的私有成員有訪問權限。

2、在命名空間內部進行聲明的函數已經被包含進了命名空間，在定義的時候要使用命名空間說明符。

3、friend僅僅說明了elephant::operator>>函數是類CA的友元函數，而operator>>函數並不是類CA的友元函數。所以operator>>訪問類CA的私有成員，編譯器會報告錯誤。

4、elephant::operator>>與operator>>並不是一個函數。前者是定義在elephant命名空間下的函數，而後者則是定義在全局的函數。

問題二：

還是一個簡單的代碼：

void output(int a); 
class SA 
{ 
    int data; 
    friend void output(const SA&); 
}; 
void output(const SA& a) 
{ 
    output(a.data); 
} 
int main() 
{ 
    SA a; 
    output(a); 
}

只編譯，不鏈接。沒有任何問題。現在，同樣的，我要將類SA放在elephant命名空間裡。根據問題一的討論，我們也得把output函數放在elephant命名空間裡。代碼如下：

namespace elephant 
{ 
    class SA 
    { 
        int data; 
        friend void output(const SA&); 
    }; 
    void output(int a); 
    void output(const SA&); 
} 
void elephant::output(const elephant::SA& a) 
{ 
    output(a.data); 
} 
int main() 
{ 
    elephant::SA a; 
    elephant::output(a); 
}

只編譯，不鏈接。沒有任何問題。

可是，在我的地瓜皮裡面，由於某種特殊的需要，我希望output函數及它所有的重載函數全都定義在全局空間裡。怎麼辦？

我進行了兩次嘗試。第一個嘗試是失敗的，上代碼：

void output(int a); 
namespace elephant 
{ 
    class SA; 
} 
void output(const elephant::SA&); 
namespace elephant 
{ 
    class SA 
    { 
        int data; 
        friend void output(const SA&); 
    }; 
} 
void output(const elephant::SA& a) 
{ 
    output(a.data); 
} 
int main() 
{ 
    elephant::SA a; 
    output(a); 
}

由於output函數需要用到elephant::SA類型的參數，所以對elephant::SA做了一個前向聲明。但是，明顯的，這是不行的。根據問題一的討論，elephant::output對elephant::SA的私有成員有訪問權限，而output沒有。

如何解決這個問題？或者說，如何將全局空間的output函數聲明為elephant::SA的友元函數。答：使用全局空間說明符。上代碼：

void output(int a); 
namespace elephant 
{ 
    class SA; 
} 
void output(const elephant::SA&); 
namespace elephant 
{ 
    class SA 
    { 
        int data; 
        friend void ::output(const SA&); 
    }; 
} 
void output(const elephant::SA& a) 
{ 
    output(a.data); 
} 
int main() 
{ 
    elephant::SA a; 
    output(a); 
}