为什么只有 C++ 存在友元函数

并不是只有 C++ 存在友元函数。在其它编程语言中，也存在类似的特性，例如 Java 中的内部类、Python 中的嵌套函数、Ruby 中的单件方法等等。C++ 中的友元函数之所以比其它编程语言中的类似特性更加强大，是因为它可以访问其它类的静态成员和全局变量。

在 C++ 中，友元函数（friend function）是一种特殊的函数，它可以访问其它类的私有成员和保护成员。这一特性在实际编程中经常用到，但是为什么只有 C++ 存在友元函数呢？本文将从语言设计的角度来解释这个问题。

友元函数的定义

在 C++ 中，我们可以通过在类的声明中使用 friend 关键字来定义友元函数。例如：

class A {
public:
  void foo() {
    B b;
    b.bar();
  }
  friend void baz(B b);
};

class B {
public:
  void bar() {
    A a;
    a.baz(*this);
  }
};

在这个例子中，A 类中的 foo 函数创建了一个 B 类对象，然后调用了它的 bar 函数。在 B 类中的 bar 函数中，又创建了一个 A 类对象，并通过 baz 函数来访问 B 类对象的私有成员。

友元函数的作用

友元函数的作用在于：它可以访问其它类的私有成员和保护成员。这一特性在实际编程中经常用到，例如：

• 静态类成员函数：静态类成员函数是属于类的，而不是属于类的实例的。因此，它无法访问类的实例的私有成员和保护成员。但是，如果将该静态类成员函数定义为其它类的友元函数，那么它就可以访问该类的私有成员和保护成员了。
• 运算符重载：运算符重载是 C++ 中的一个重要特性，它允许我们为自定义类型定义运算符，例如 +、、、/ 等等。但是，如果我们想在运算符重载函数中访问其它类的私有成员和保护成员，那么就需要将该运算符重载函数定义为其它类的友元函数。

除此之外，友元函数还可以用于实现一些特殊的功能，例如：

• 类的序列化和反序列化：序列化和反序列化是指将一个对象转换为二进制数据流，以便在网络上传输或存储到文件中。如果我们想将一个对象序列化为二进制数据流，那么就需要访问该对象的私有成员和保护成员。为了实现这一功能，我们可以将一个类的序列化和反序列化函数定义为其它类的友元函数。
• 单元测试：单元测试是指对软件中的最小可测试单元进行测试。如果我们想对一个类进行单元测试，那么就需要访问该类的私有成员和保护成员。为了实现这一功能，我们可以将一个类的测试函数定义为其它类的友元函数。

友元函数的实现原理

友元函数的实现原理在于：友元函数并不属于类的成员函数，它只是一个普通的函数，但是可以访问该类的私有成员和保护成员。

具体来说，当我们将一个函数定义为一个类的友元函数时，编译器会将该函数的访问权限从 public 改为 private，这样该函数就可以访问该类的私有成员和保护成员了。例如：

class A {
public:
  void foo() {
    B b;
    b.bar();
  }
  friend void baz(B b);
private:
  int x;
};

class B {
public:
  void bar() {
    A a;
    a.x = 1; // 错误：无法访问私有成员 'int A::x'
    baz(*this);
  }
};

在这个例子中，B 类中的 bar 函数无法直接访问 A 类的私有成员 x，但是可以通过调用 baz 函数来访问它。

为什么只有 C++ 存在友元函数

现在回到本文最开始的问题：为什么只有 C++ 存在友元函数？

事实上，并不是只有 C++ 存在友元函数。在其它编程语言中，也存在类似的特性，例如 Java 中的内部类、Python 中的嵌套函数、Ruby 中的单件方法等等。这些特性都可以用来实现类似友元函数的功能。

那么，为什么 C++ 中的友元函数比其它编程语言中的类似特性更加强大呢？这是因为 C++ 中的友元函数不仅可以访问其它类的私有成员和保护成员，还可以访问其它类的静态成员和全局变量。例如：

class A {
  friend void foo();
private:
  static int x;
};

int A::x = 0;

void foo() {
  A::x = 1;
}

在这个例子中，foo 函数是 A 类的友元函数，它可以访问 A 类的静态成员 x。

这一特性在实际编程中经常用到，例如：

• 单例模式：单例模式是一种常用的软件设计模式，它保证一个类只有一个实例，并提供一个访问该实例的全局唯一入口。如果我们想实现单例模式，那么就需要将该类的构造函数和析构函数定义为私有的，并将其它类的函数定义为该类的友元函数，以便访问该类的静态成员。
• 封装和隐藏：封装和隐藏是面向对象编程的两个重要原则，它们可以帮助我们实现模块化和可维护的代码。如果我们想实现封装和隐藏，那么就需要将某些成员定义为私有的，并将其它类的函数定义为该类的友元函数，以便访问该类的私有成员和保护成员。

综上所述，C++ 中的友元函数之所以比其它编程语言中的类似特性更加强大，是因为它可以访问其它类的静态成员和全局变量，这一特性在实际编程中经常用到。

总结

本文从语言设计的角度来解释了为什么只有 C++ 存在友元函数。友元函数的作用在于：它可以访问其它类的私有成员和保护成员。友元函数的实现原理在于：编译器会将该函数的访问权限从 public 改为 private，以便访问该类的私有成员和保护成员。C++ 中的友元函数之所以比其它编程语言中的类似特性更加强大，是因为它可以访问其它类的静态成员和全局变量，这一特性在实际编程中经常用到。

延伸阅读：

什么是C++？

C++（c plus plus）是一种计算机高级程序设计语言，由C语言扩展升级而产生，最早于1979年由本贾尼·斯特劳斯特卢普在AT&T贝尔工作室研发。

C++既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行以继承和多态为特点的面向对象的程序设计。C++擅长面向对象程序设计的同时，还可以进行基于过程的程序设计。 C++几乎可以创建任何类型的程序：游戏、设备驱动程序、HPC、云、桌面、嵌入式和移动应用等。 甚至用于其他编程语言的库和编译器也使用C++编写。

C++拥有计算机运行的实用性特征，同时还致力于提高大规模程序的编程质量与程序设计语言的问题描述能力。