1、友元函数

友元函数是可以直接访问类的私有成员的非成员函数。它是定义在类外的普通函数，它不属于任何类，但需要在类的定义中加以声明，声明时只需在友元的名称前加上关键字friend。

格式：

friend 类型 函数名(形式参数);

例如，

#include <iostream>
using namespace std;
//先定义一个类
class MyClass
{
  private:
    int age;
  public:
    //用来改变age
    void setage(int i);
    //友元函数，参数是MyClass对象
    friend void myFun(MyClass obj);
};
//成员函数，要加::
void MyClass::setage(int i)
{
   age = i;
}
//正常的普通函数而已
void myFun(MyClass obj)
{
  cout<<obj.age<<endl;
  obj.age = 998;
  cout<<obj.age<<endl;
}
int main()
{
  MyClass f1;
  myFun(f1);
  f1.setage(1000);
  return 0;
}

注意：

1）友元函数的声明可以放在类的私有部分，也可以放在公有部分，它们是没有区别的，都说明是该类的一个友元函数。

2）一个函数可以是多个类的友元函数，只需要在各个类中分别声明。

3）友元函数的调用与一般函数的调用方式和原理一致。

2、友元类

友元类的所有成员函数都是另一个类的友元函数，都可以访问另一个类中的隐藏信息（包括私有成员和保护成员）。

需要类可以存取另一个类的私有成员时，可以将该类声明为另一类的友元类。

格式：

friend class 类名;

例如，

#include <iostream>
using namespace std;
class Box
{
    double width;
public:
    friend void printWidth(Box box);
    friend class BigBox;
    void setWidth(double wid);
};
class BigBox
{
public :
    void Print(int width, Box &box)
    {
        // BigBox是Box的友元类，它可以直接访问Box类的任何成员
        box.setWidth(width);
        cout << "Width of box : " << box.width << endl;
    }
};
// 成员函数定义
void Box::setWidth(double wid)
{
    width = wid;
}
// 请注意：printWidth() 不是任何类的成员函数
void printWidth(Box box)
{
    /* 因为 printWidth() 是 Box 的友元，它可以直接访问该类的任何成员 */
    cout << "Width of box : " << box.width << endl;
}
// 程序的主函数
int main()
{
    Box box;
    BigBox big;
    // 使用成员函数设置宽度
    box.setWidth(10.0);
    // 使用友元函数输出宽度
    printWidth(box);
    // 使用友元类中的方法设置宽度
    big.Print(20, box);
    getchar();
    return 0;
}

注意：

1）friend和class是关键字，类名必须是程序中的一个已定义过的类。

2）友元关系不能被继承。

3）友元关系是单向的，不具有交换性。若类B是类A的友元，类A不一定是类B的友元，要看在类中是否有相应的声明。

4）友元关系不具有传递性。若类B是类A的友元，类C是B的友元，类C不一定是类A的友元，同样要看类中是否有

3、常见应用场景

友元机制虽然在一定程度上破坏了封装性，但是在某些特定的场景下，它仍然是一个非常有用的工具。

1）运算符重载

通过友元函数重载操作符，可以直接操作类的私有成员。

#include <iostream>
using namespace std;

class Complex {
private:
    double real, imag;

public:
    Complex(double r, double i) : real(r), imag(i) {}

    // 声明友元函数
    friend Complex operator+(const Complex &c1, const Complex &c2);

    void display() const {
        cout << "(" << real << ", " << imag << ")" << endl;
    }
};

// 定义友元函数
Complex operator+(const Complex &c1, const Complex &c2) {
    return Complex(c1.real + c2.real, c1.imag + c2.imag);
}

int main() {
    Complex c1(3.0, 4.0), c2(1.5, 2.5);
    Complex c3 = c1 + c2; // 使用友元函数重载的操作符
    c3.display();
    return 0;
}

2）输入输出流重载

友元函数常用于重载 << 和 >> 操作符，方便类对象的输出和输入。

#include <iostream>
using namespace std;

class Point {
private:
    int x, y;

public:
    Point(int a = 0, int b = 0) : x(a), y(b) {}

    // 声明友元函数
    friend ostream &operator<<(ostream &out, const Point &p);
    friend istream &operator>>(istream &in, Point &p);
};

// 定义友元函数
ostream &operator<<(ostream &out, const Point &p) {
    out << "(" << p.x << ", " << p.y << ")";
    return out;
}

istream &operator>>(istream &in, Point &p) {
    in >> p.x >> p.y;
    return in;
}

int main() {
    Point p1;
    cout << "请输入点的坐标 (x y): ";
    cin >> p1; // 使用友元函数重载的 >> 操作符
    // 使用友元函数重载的 << 操作符
    cout << "点的坐标为: " << p1 << endl; 
    return 0;
}

3）关联类间的紧密协作

当两个类需要频繁访问彼此的私有成员时，可以使用友元类声明其中一个类为另一个类的友元。

#include <iostream>
using namespace std;

class Rectangle;

class Box {
private:
    double length;

public:
    Box(double l) : length(l) {}

    // 声明 Rectangle 为友元类
    friend class Rectangle;
};

class Rectangle {
private:
    double width, height;

public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}

    // 访问 Box 的私有成员
    double calculateVolume(const Box &b) {
        return b.length * width * height;
    }
};

int main() {
    Box box(10);
    Rectangle rect(4, 5);
    cout << "体积: "   
    // 使用友元类访问私有成员
    << rect.calculateVolume(box) << endl;  
    // 使用友元类访问私有成员
    return 0;
}

4）工具类访问内部数据

友元类常用于实现工具类，用来操作主类的内部数据。

#include <iostream>
using namespace std;

class Data {
private:
    int value;

public:
    Data(int v) : value(v) {}

    // 声明 Printer 为友元类
    friend class Printer;
};

class Printer {
public:
    void printData(const Data &d) {
        cout << "数据值: " << d.value << endl;
    }
};

int main() {
    Data data(42);
    Printer printer;
    printer.printData(data); // 使用友元类访问私有数据
    return 0;
}