友元函数与友元类

本课属于 Coddy C++ 学习旅程的“面向对象编程”单元。第 32 课，共 104 课。

有时，你的类之外的函数或类需要访问它的私有成员。C++ 提供了 friend 关键字，可以授予选择性访问权限，同时保持封装性，而不必将这些成员设为公有。

友元函数在类内部声明，但不是该类的成员。它可以访问类的私有成员和受保护成员：

class Box {
    double width;
    
public:
    Box(double w) : width(w) {}
    
    // 将 printWidth 声明为友元函数
    friend void printWidth(const Box& b);
};

// 友元函数的定义，不是成员函数
void printWidth(const Box& b) {
    std::cout << b.width;    // 可以访问私有成员
}

注意，printWidth 是在类外定义的，没有使用作用域解析运算符。它是一个普通函数，只是恰好拥有特殊访问权限。

你也可以将整个类设为友元类，让它的所有成员函数都能访问私有成员：

class Engine {
    int horsepower;
    
    friend class Mechanic;    // Mechanic 可以访问私有成员
    
public:
    Engine(int hp) : horsepower(hp) {}
};

class Mechanic {
public:
    void diagnose(const Engine& e) {
        std::cout << e.horsepower;    // 允许访问：Mechanic 是友元类
    }
};

友元关系不是相互的。如果 Engine 将 Mechanic 声明为友元，Mechanic 就可以访问 Engine 的私有成员，但反过来不行。谨慎使用友元，因为它们会让类之间紧密耦合。友元最适合用于运算符重载和关系密切的辅助函数。

挑战

简单

让我们构建一个安全消息系统，其中 MessageReader 类需要特殊权限，以读取存储在 SecureMessage 类中的加密消息。这是使用友元函数和友元类的理想场景。

你将创建两个文件来组织代码：

SecureMessage.h：定义一个 SecureMessage 类，用于存储私有消息数据，并向受信任的实体授予选择性访问权限。你的类应包含：
- 私有成员：content（字符串）和 secretKey（整数）
- 一个接收消息内容和密钥的构造函数
- 将 MessageReader 声明为友元类，使其能够访问私有成员
- 声明一个友元函数 decryptMessage(const SecureMessage& msg, int key)，仅当提供的密钥与密钥匹配时才返回消息内容，否则返回 "Access Denied"
然后在同一个头文件中定义 MessageReader 类：
- 一个方法 readContent(const SecureMessage& msg)，直接访问并返回消息的私有成员 content
- 一个方法 verifyKey(const SecureMessage& msg, int key)，检查提供的密钥是否与消息的 secretKey 匹配，并返回 "Valid" 或 "Invalid"
最后，在类的定义之后定义友元函数 decryptMessage。
main.cpp：演示友元函数和友元类的实际用法。从输入中读取消息内容、密钥和测试密钥（每项各占一行），然后：
- 使用消息内容和密钥创建一个 SecureMessage
- 创建一个 MessageReader 对象
- 使用读取器的 readContent() 方法打印 "Reader access: <content>"
- 使用测试密钥调用 verifyKey()，打印 "Key verification: <result>"
- 使用测试密钥调用友元函数，打印 "Decrypt with test key: <result>"
- 使用原始密钥调用友元函数，打印 "Decrypt with correct key: <result>"

请记住，友元函数定义在类外，不使用作用域解析运算符：它们是拥有特殊访问权限的普通函数。作为友元的 MessageReader 类可以在它的所有方法中直接访问 SecureMessage 的私有成员。

使用 std::stoi() 将输入的密钥字符串转换为整数。在 main.cpp 中使用 #include "SecureMessage.h" 引入头文件。

亲手试试

#include <iostream>
#include <string>
#include "SecureMessage.h"
using namespace std;

int main() {
    // 读取输入
    string messageContent;
    string secretKeyStr;
    string testKeyStr;
    
    getline(cin, messageContent);
    getline(cin, secretKeyStr);
    getline(cin, testKeyStr);
    
    int secretKey = stoi(secretKeyStr);
    int testKey = stoi(testKeyStr);
    
    // TODO: 用内容和密钥创建一个 SecureMessage 对象
    
    // TODO: 创建一个 MessageReader 对象
    
    // TODO: 使用 readContent() 输出 "Reader access: <content>"
    
    // TODO: 使用 verifyKey() 和测试密钥输出 "Key verification: <result>"
    
    // TODO: 使用 decryptMessage 和测试密钥输出 "Decrypt with test key: <result>"
    
    // TODO: 使用 decryptMessage 和正确的密钥输出 "Decrypt with correct key: <result>"
    
    return 0;
}

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