【C++ 从基础到项目实战】C++（九）：友元与设计模式初探—

📌 阅读时长：22分钟 | 关键词：C++、友元函数、友元类、friend、单例模式、设计模式

引言

前面文章中我们反复强调"封装"——用private把数据藏起来。但有时，我们确实需要给某些外部的函数或类开一扇"后门"，让它们能访问私有成员。这扇门就叫友元（friend）。文章最后，我们还会用静态成员 + 友元的知识，实现第一个设计模式——单例模式。

一、友元函数：类的"特许通行证"

1.1 什么是友元函数？

在类中用friend声明的普通函数，可以访问该类的私有成员：

classBox{private:doublewidth;public:Box(doublew):width(w){}friendvoidprintWidth(Box&b);// 声明友元函数};// 定义友元函数（在类外部）voidprintWidth(Box&b){// 可以直接访问私有成员！std::cout<<"宽度："<<b.width<<std::endl;}intmain(){Boxbox(10.0);printWidth(box);// 输出：宽度：10}

1.2 友元函数可以修改私有成员

classCuboid{private:doublelength,width,height;public:Cuboid(doublel,doublew,doubleh):length(l),width(w),height(h){}friendvoidupdateDimensions(Cuboid&c,doublel,doublew,doubleh);frienddoublecalculateVolume(constCuboid&c);};voidupdateDimensions(Cuboid&c,doublel,doublew,doubleh){c.length=l;c.width=w;c.height=h;// 直接修改私有成员}doublecalculateVolume(constCuboid&c){returnc.length*c.width*c.height;// 直接读取私有成员}

1.3 友元函数的要点

特性	说明
不是成员函数	没有`this`指针，通过参数传递对象
声明位置	类内任意位置（public/protected/private 都行）
访问权限	可访问该类的所有成员（public + protected + private）
集中声明	建议将友元声明集中在类的开头或结尾，便于代码维护

1.4 友元的优缺点

优点	缺点
实现运算符重载 (`<<`,`>>`) 的自然语法	破坏封装性
多类协作时访问对方私有成员	增加类之间的耦合度
简化某些特殊操作的代码	滥用后代码难以维护

二、友元类：整班都是 VIP

声明一个类为另一个类的友元，则该类的所有成员函数都能访问对方的私有成员：

classCircle{private:doubleradius;public:Circle(doubler):radius(r){}friendclassGeometry;// Geometry 是 Circle 的友元类};classGeometry{public:doublecalcArea(constCircle&c){return3.14159*c.radius*c.radius;// 访问私有成员}voidsetRadius(Circle&c,doubler){c.radius=r;// 修改私有成员}};intmain(){Circlec(5.0);Geometry g;std::cout<<g.calcArea(c)<<std::endl;// 78.5397g.setRadius(c,8.0);std::cout<<g.calcArea(c)<<std::endl;// 201.062}

友元关系的三大特性

// 1. 单向性：A 是 B 的友元 ≠ B 是 A 的友元classA{friendclassB;};// B 能访问 A 的私有// A 不能访问 B 的私有 ← 除非 B 也 friend class A// 2. 非传递性：A→B 是友元，B→C 是友元 ≠ A→C 是友元// 3. 不能被继承：父类的友元不能自动访问子类的新增私有成员

三、友元 + 运算符重载

友元最经典的用法是重载流运算符<<和>>：

classCuboid{private:doublelength,width,height;public:Cuboid(doublel,doublew,doubleh):length(l),width(w),height(h){}// 友元重载 + 运算符friendCuboidoperator+(constCuboid&a,constCuboid&b);// 友元重载 << 运算符friendstd::ostream&operator<<(std::ostream&os,constCuboid&c);};Cuboidoperator+(constCuboid&a,constCuboid&b){returnCuboid(a.length+b.length,std::max(a.width,b.width),std::max(a.height,b.height));}std::ostream&operator<<(std::ostream&os,constCuboid&c){os<<"Cuboid("<<c.length<<", "<<c.width<<", "<<c.height<<")";returnos;}intmain(){Cuboidc1(3,2,1),c2(4,1,5);std::cout<<c1+c2<<std::endl;// Cuboid(7, 2, 5)}

四、设计模式初探：单例模式（Singleton）

学完了静态成员 + 私有构造函数 + 友元，我们已经具备了实现单例模式的能力——一个全局只能存在一个实例的类。

4.1 为什么需要单例？

日志记录器：全局共用一个
数据库连接池：避免重复创建连接
配置管理器：全局一份配置

4.2 基本实现

classSingleton{private:staticSingleton*instance;// 静态指针，保存唯一实例Singleton(){}// ① 构造函数是私有的！外部不能 newSingleton(constSingleton&)=delete;// ② 禁止拷贝Singleton&operator=(constSingleton&)=delete;// ③ 禁止赋值public:staticSingleton*getInstance(){// ④ 静态方法获取唯一实例if(instance==nullptr)instance=newSingleton();returninstance;}voiddoSomething(){std::cout<<"单例模式工作中..."<<std::endl;}};Singleton*Singleton::instance=nullptr;// 静态成员定义intmain(){// Singleton s; ❌ 构造函数是私有的Singleton*s1=Singleton::getInstance();Singleton*s2=Singleton::getInstance();std::cout<<(s1==s2)<<std::endl;// 1 — 同一个对象！s1->doSomething();}

4.3 C++11 线程安全版（Meyer’s Singleton）

classSingleton{public:// C++11 保证局部静态变量的初始化是线程安全的！staticSingleton&getInstance(){staticSingleton instance;returninstance;}voiddoSomething(){std::cout<<"线程安全单例"<<std::endl;}private:Singleton()=default;Singleton(constSingleton&)=delete;Singleton&operator=(constSingleton&)=delete;};// 使用：Singleton::getInstance().doSomething();

实现方式	线程安全	内存释放	代码量
原始指针 + new	❌	不自动	多
Meyer’s Singleton	✅ (C++11)	自动	极少

💡 日常开发中直接用Meyer’s Singleton，简单安全，无需手动 delete。

4.4 设计模式思维

模式	核心思想	C++ 实现关键
单例 (Singleton)	全局唯一实例	私有构造函数 + 静态变量
工厂 (Factory)	集中创建对象	静态方法 + 返回指针/智能指针
观察者 (Observer)	一对多通知	虚函数 + 指针列表

设计模式不是银弹，但了解它们能让你在面对常见问题时不再"重新发明轮子"。

小结

序号	知识点	一句话总结
1	友元函数	friend 声明的外部函数可访问类私有成员，常用于运算符重载
2	友元类	整个类都能访问对方的私有成员
3	友元三大特性	单向、非传递、不能被继承
4	友元利弊	方便但破封装，只在确实需要时用
5	单例模式	私有构造 + 静态变量 → 全局唯一实例
6	Meyer’s Singleton	C++11 线程安全，局部静态变量自动清理，推荐首选