C++类模板与友元详解

C++ 模板

下面分四种情况分别讨论。

1. 函数、类、类的成员函数作为类模板的友元

函数、类、类的成员函数都可以作为类模板的友元。程序示例如下：

void Func1() {  }
class A {  };
class B
{
public:
    void Func() { }
};
template <class T>
class Tmpl
{
    friend void Func1();
    friend class A;
    friend void B::Func();
};
int main()
{
    Tmpl<int> i;
    Tmpl<double> f;
    return 0;
}

类模板实例化时，除了类型参数被替换外，其他所有内容都原样保留，因此任何从 Tmp1 实例化得到的类都包含上面三条友元声明，因而也都会把 Func1、类 A 和 B::Func 当作友元。

2. 函数模板作为类模板的友元

例题：在《C++类模板（模板类）》一节中我们定义了 Pair 模板，将<<运算符重载为一个函数模板，并将该函数模板作为 Pair 模板的友元，这样，任何从 Pair 模板实例化得到的对象都能用<<运算符通过 cout 输出。

程序代码如下（函数模板作为类模板的友元）：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
template <class T1, class T2>
class Pair
{
private:
    T1 key;  //关键字
    T2 value;  //值
public:
    Pair(T1 k, T2 v) : key(k), value(v) { };
    bool operator < (const Pair<T1, T2> & p) const;
    template <class T3, class T4>
    friend ostream & operator << (ostream & o, const Pair<T3, T4> & p);
};
template <class T1, class T2>
bool Pair <T1, T2>::operator< (const Pair<T1, T2> & p) const
{  //“小”的意思就是关键字小
    return key < p.key;
}
template <class Tl, class T2>
ostream & operator << (ostream & o, const Pair<T1, T2> & p)
{
    o << "(" << p.key << "," << p.value << ")";
    return o;
}
int main()
{
    Pair<string, int> student("Tom", 29);
    Pair<int, double> obj(12, 3.14);
    cout << student << " " << obj;
    return 0;
}

程序的输出结果是：

(Torn, 29) (12, 3.14)

第 13、14 行将函数模板 operator<< 声明为类模板 Pair 的友元。在 Visual Studio 中，这两行也可以用下面的写法替代：

friend ostream & operator<< <T1, T2>(ostream & o, const Pair<T1, T2> & p);

但在 Dev C ++ 中，替代后编译就无法通过了。

编译本程序时，编译器自动生成了两个 operator << 函数，它们的原型分别是：

ostream & operator << (ostream & o, const Pair<string, int> & p);
ostream & operator << (ostream & o, const Pair<int, double> & p);

前者是 Pair <string, int> 类的友元，但不是 Pair<int, double> 类的友元；后者是 Pair<int, double> 类的友元，但不是 Pair<string, int> 类的友元。

3. 函数模板作为类的友元

实际上，类也可以将函数模板声明为友元。程序示例如下：

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
    int v;
public:
    A(int n) :v(n) { }
    template <class T>
    friend void Print(const T & p);
};
template <class T>
void Print(const T & p)
{
    cout << p.v;
}
int main()
{
    A a(4);
    Print(a);
    return 0;
}

程序的输出结果是：

4

编译器编译到第 19 行Print(a);时，就从 Print 模板实例化出一个 Print 函数，原型如下：

void Print(const A & p);

这个函数本来不能访问 p 的私有成员。但是编译器发现，如果将类 A 的友元声明中的 T 换成 A，就能起到将该 Print 函数声明为友元的作用，因此编译器就认为该 Print 函数是类 A 的友元。

思考题：类还可以将类模板或类模板的成员函数声明为友元。自行研究这两种情况该怎么写。

4. 类模板作为类模板的友元

一个类模板还可以将另一个类模板声明为友元。程序示例如下：

#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
class A
{
public:
    void Func(const T & p)
    {
        cout << p.v;
    }
};
template <class T>
class B
{
private:
    T v;
public:
    B(T n) : v(n) { }
    template <class T2>
    friend class A;  //把类模板A声明为友元
};
int main()
{
    B<int> b(5);
    A< B<int> > a;  //用B<int>替换A模板中的 T
    a.Func(b);
    return 0;
}

程序的输出结果是：

5

在本程序中，A< B<int> > 类成为 B<int> 类的友元。