四、友元

1、输入输出的重载

在C++中，我们使用 cin 和 cout 配合流插入 >> 与流提取 << 符号来完成数据的输入输出，并且它们能自动识别内置类型；

那么它们是如何做到输入与输出数据以及自动识别内置类型的呢？答案是运算符重载与函数重载；

可以看到，cin 和 cout 分别是 istream 和 ostream 类的两个全局对象，而 istream 类中对流提取运算符 >> 进行了运算符重载，osteam 中对流插入运算符 << 进行了运算符重载，所以 cin 和 cout 对象能够完成数据的输入输出；同时，istream 和 ostream 在进行运算符重载时还进行了函数重载，所以其能够自动识别数据类型；

那么，对于我们自己定义的自定义类型，我们也可以对 << 和 >> 进行运算符重载，使其支持输入与输出数据；我们以Date为例：

class Date
{
public:
  Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1)
    :_year(year)
    , _month(month)
    , _day(day)
  {}
  //流插入
  ostream& operator<<(ostream& out) const
  {
    cout << _year << "/" << _month << "/" << _day;
    return out;
  }
  //流提取
  istream& operator>>(istream& in)
  {
    in >> _year;
    in >> _month;
    in >> _day;
    return in;
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};

但是这里有一个问题：如果运算符重载为类的成员函数，那么运算符的左操作数必须是本类的对象，因为 this 指针的类型是本类的类型，也就是说，如果我们要把 << >> 重载为类的成员函数，那么本类的对象 d 就必须是做操作数，即我们必须像下面这样调用：

但是这样显然违背了我们的初衷 – 我们进行运算符重载的目的是提高程序的可读性，而上面这样很可能会给函数的使用带来很大的困扰；所以对于 << >> 我们只能重载为全局函数；

但是重载为全局函数又会出现一个新的问题 – 在类外部无法访问类的私有数据；但是我们又不可能将类的私有数据改为共有，这样代价太大了，那么有没有一种办法可以在类外直接访问类的私有成员呢？有的，它就是友元；

2、友元函数

友元函数可以直接访问类的私有成员，它是定义在类外部的普通函数，不属于任何类，但需要在类的内部声明，声明时需要 friend 关键字；如下：

class Date
{
  //友元声明 -- 可以放置在类的任意位置
  friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);
  friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
public:
  Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1)
    :_year(year)
    , _month(month)
    , _day(day)
  {}
  //流插入
  ostream& operator<<(ostream& out) const
  {
    cout << _year << "/" << _month << "/" << _day;
    return out;
  }
  //流提取
  istream& operator>>(istream& in)
  {
    in >> _year;
    in >> _month;
    in >> _day;
    return in;
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
//流提取
inline istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
  in >> d._year;
  in >> d._month;
  in >> d._day;
  return in;
}
//流插入
inline ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
  cout << d._year << "/" << d._month << "/" << d._day;
  return out;
}

注：1、由于流插入和流提取的重载内容较少，且调用频率很高，所以我们可以把其定义为内联函数；

2、为了支持连续输入以及连续输出，我们需要将函数的返回值设置为 istream 和 ostream 对象的引用；

友元函数总结：

• 友元函数可访问类的私有和保护成员，但不是类的成员函数；
• 友元函数不能用 const 修饰；
• 友元函数可以在类定义的任何地方声明，不受类访问限定符限制；
• 一个函数可以是多个类的友元函数；
• 友元函数的调用与普通函数的调用原理相同；

3、友元类

C++中除了有友元函数，还有友元类 – 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私有成员；如下：

class Time
{
  //友元类
  friend class Date; 
public:
  Time(int hour = 0, int minute = 0, int second = 0)
    : _hour(hour)
    , _minute(minute)
    , _second(second)
  {}
private:
  int _hour;
  int _minute;
  int _second;
};
class Date
{
public:
  Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1)
    : _year(year)
    , _month(month)
    , _day(day)
  {}
  void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second)
  {
    // 可以直接访问Time类私有的成员变量
    _t._hour = hour;
    _t._minute = minute;
    _t._second = second;
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
  Time _t;
};

友元类有如下特点：

友元关系是单向的，不具有交换性；比如上述 Time 类和 Date 类，在 Time 类中声明 Date 类为其友元类，那么可以在 Date 类中直接访问 Time 类的私有成员变量，但想在 Time 类中访问 Date 类中私有的成员变量则不行；

友元关系不能传递；如果C是B的友元， B是A的友元，则不能说明C是A的友元；

友元关系不能继承，继承的相关知识我们到C++进阶再详细学习；

五、内部类

概念：如果一个类定义在另一个类的内部，这个类就叫做内部类；内部类是一个独立的类，它不属于外部类，更不能通过外部类的对象去访问内部类的成员；外部类对内部类没有任何优越的访问权限；

class A
{
public:
  A(int a = 0)
    :_a(a)
  {}
  //内部类
  class B
  {
  public:
    B(int b = 0)
      :_b(b)
    {}
  private:
    int _b;
  };
private:
  int _a;
};

内部类有如下特性：

内部类天生就是外部类的友元，所以内部类可以通过外部类的对象参数来访问外部类中的所有成员；但外部类不是内部类的友元；

内部类定义在外部类的 public、protected、private 处都是可以的，但是内部类实例化对象时要受到外部类的类域和访问限定符的限制；

内部类可以直接访问外部类中的static成员，不需要外部类的对象/类名；

内部类是一个独立的类，它不属于外部类，所以 sizeof (外部类) == 外部类；

内部类在C++中很少被使用，在Java中使用频繁，所以大家只需要了解有这个东西即可；

class A
{
public:
  A(int a = 0)
    :_a(a)
  {}
  //内部类
  class B
  {
  public:
    B(int b = 0)
      :_b(b)
    {}
    void SetA(A& a, int n)
    {
      a._a = n;  
      _i = 1;
    }
  private:
    int _b;
  };
private:
  int _a;
  static int _i;
};
int A::_i = 0;

六、匿名对象

在C++中，除了用类名+对象名创建对象外，我们还可以直接使用类名来创建匿名对象，匿名对象和正常对象一样，在创建时自动调用构造函数，在销毁时自动调用析构函数；但是匿名对象的生命周期只有它定义的那一行，下一行就会立马销毁；

class A
{
public:
  A(int a = 0)
    :_a(a)
  {
    cout << "A 构造" << endl;
  }
  ~A()
  {
    cout << "A 析构" << endl;
  }
private:
  int _a;
};

匿名对象如下场景下很好用，当然还有一些其他使用场景，这个我们以后遇到了再说：

七、编译器的一些优化

在传参和传返回值的过程中，一般编译器会做一些优化，减少对象的拷贝，这个在一些场景下还是非常有用的；如下：

class A
{
public:
  A(int a = 0)
    :_a(a)
  {
    cout << "A 构造" << endl;
  }
  A(const A& aa)
    :_a(aa._a)
  {
    cout << "A 拷贝构造" << endl;
  }
  A& operator=(const A& aa)
  {
    cout << "A 赋值重载" << endl;
    if (this != &aa)
    {
      _a = aa._a;
    }
    return *this;
  }
  ~A()
  {
    cout << "A 析构" << endl;
  }
private:
  int _a;
};
//传值传参
void f1(A aa) {}
//传值返回
A f2()
{
  A aa;
  return aa;
}

优化场景1：传参隐式类型转换 – 构造+拷贝构造 --> 直接构造

我们调用 f1 函数，并使用1作为参数，由于1和f1的形参不同，所以会发生隐式类型转换，即编译器会先用1去构造一个A类型的临时变量，然后用这个临时变量去拷贝构造aa，所以这里本来应该是构造+拷贝构造，但是编译器将其优化为了直接使用1去构造aa；

优化场景2：匿名对象 – 构造+拷贝构造 --> 直接构造

和场景1类似，本来是先用2来构造一个匿名对象，然后使用这个匿名对象来拷贝构造aa，经过编译器优化后变为直接使用2去构造aa；

优化场景3：传值返回 – 构造+拷贝构造+拷贝构造 --> 直接构造

f2 函数返回的是局部的匿名对象，所以编译器会先用匿名对象去拷贝构造一个临时对象，然后再用临时对象来拷贝构造aa2，而编译器优化后变为直接使用无参来构造aa2；即构造+拷贝构造+拷贝构造优化为直接构造；

上面就是编译器一些优化的场景，作为一个程序员来说，我们应该主动去触发编译器的这些优化场景，从而提高我们的程序效率；

注：编译器只能对一句表达式中的某些操作进行优化，而不能将两句表达式优化成一句，因为这样可能会使程序发生错误；

八、再次理解类和对象

现实生活中的实体计算机并不认识，计算机只认识二进制格式的数据。如果想要让计算机认识现实生活中的实体，用户必须通过某种面向对象的语言，对实体进行描述，然后通过编写程序，创建对象后计算机才可以认识。比如想要让计算机认识洗衣机，就需要：

用户先要对现实中洗衣机实体进行抽象—即在人为思想层面对洗衣机进行认识，洗衣机有什么属性，有那些功能，即对洗衣机进行抽象认知的一个过程；

经过1之后，在人的头脑中已经对洗衣机有了一个清醒的认识，只不过此时计算机还不清楚，想要让计算机识别人想象中的洗衣机，就需要人通过某种面相对象的语言(比如：C++、Java、Python等)将洗衣机用类来进行描述，并输入到计算机中；

经过2之后，在计算机中就有了一个洗衣机类，但是洗衣机类只是站在计算机的角度对洗衣机对象进行描述的，通过洗衣机类，可以实例化出一个个具体的洗衣机对象，此时计算机才能洗衣机是什么东西；

用户就可以借助计算机中洗衣机对象，来模拟现实中的洗衣机实体了；

在类和对象阶段，大家一定要体会到：类是对某一类实体 (对象) 来进行描述的，描述该对象具有哪些属性，哪些方法，描述完成后就形成了一种新的自定义类型，才用该自定义类型就可以实例化具体的对象。