面试题：C++友元关系与代码设计原则及优化

合理使用友元关系提升效率和灵活性的场景

运算符重载：
- 例如，实现复数类Complex，对于+运算符，如果使用成员函数重载，Complex对象只能在左侧，不太符合数学使用习惯。使用友元函数重载+运算符，可以更自然地实现复数加法。
```
class Complex {
private:
    double real;
    double imag;
public:
    Complex(double r = 0, double i = 0) : real(r), imag(i) {}
    // 友元函数声明
    friend Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b);
};
Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b) {
    return Complex(a.real + b.real, a.imag + b.imag);
}
```
- 这里友元函数可以直接访问Complex类的私有成员，方便地实现运算符功能，且没有严重破坏封装性，因为+运算符本质上是对复数对象数据的一种操作，与类关系紧密。
辅助类访问：
- 假设有一个Point类和一个Line类，Line类用于表示由两个Point组成的线段。Line类可能需要直接访问Point类的坐标值（私有成员）来进行一些计算，如计算线段长度。
```
class Point {
private:
    double x;
    double y;
public:
    Point(double a = 0, double b = 0) : x(a), y(b) {}
    // 声明Line类为友元
    friend class Line;
};
class Line {
private:
    Point start;
    Point end;
public:
    Line(const Point& s, const Point& e) : start(s), end(e) {}
    double length() {
        double dx = end.x - start.x;
        double dy = end.y - start.y;
        return std::sqrt(dx * dx + dy * dy);
    }
};
```
- Line类作为Point类的友元，能直接访问Point类的私有成员，使得Line类的实现更简洁高效，同时也没有过度暴露Point类的实现细节，因为Line类与Point类在业务逻辑上紧密相关。

减少友元关系负面影响的设计模式手段

桥接模式：
- 例如，有一个图形绘制系统，存在不同的图形类（如圆形、矩形）和不同的绘制平台（如Windows、Linux）。可以使用桥接模式将图形类和绘制平台分离。假设图形类有一些私有数据用于表示图形属性，绘制平台类需要访问这些属性来进行绘制。
- 传统方式可能会使用友元关系让绘制平台类访问图形类的私有成员。但使用桥接模式，通过定义抽象接口和实现接口的方式，避免了友元关系。
- 抽象图形类：
```
class DrawAPI {
public:
    virtual void drawCircle(double x, double y, double radius) = 0;
};
class Shape {
protected:
    DrawAPI* drawAPI;
public:
    Shape(DrawAPI* api) : drawAPI(api) {}
    virtual void draw() = 0;
};
```
- 具体图形类（以圆形为例）：
```
class Circle : public Shape {
private:
    double x, y, radius;
public:
    Circle(double a, double b, double r, DrawAPI* api) : Shape(api), x(a), y(b), radius(r) {}
    void draw() override {
        drawAPI->drawCircle(x, y, radius);
    }
};
```
- 具体绘制平台类（以Windows绘制平台为例）：
```
class WindowsDrawAPI : public DrawAPI {
public:
    void drawCircle(double x, double y, double radius) override {
        // Windows 特定的绘制代码
        std::cout << "Drawing Circle at (" << x << ", " << y << ") with radius " << radius << " on Windows" << std::endl;
    }
};
```
- 这里通过桥接模式，DrawAPI实现类不需要成为Shape类的友元，就可以访问绘制所需的参数，符合开闭原则（可以轻松添加新的图形或绘制平台）和依赖倒置原则（依赖抽象而非具体实现）。
代理模式：
- 假设一个敏感数据类SensitiveData，有一些外部模块需要访问其部分功能，但不能直接访问其私有成员。可以创建一个代理类DataProxy。
- SensitiveData类：
```
class SensitiveData {
private:
    int secretValue;
public:
    SensitiveData(int value) : secretValue(value) {}
    int getSecretValue() {
        return secretValue;
    }
};
```
- DataProxy类：
```
class DataProxy {
private:
    SensitiveData* data;
public:
    DataProxy(SensitiveData* d) : data(d) {}
    int accessSecretValue() {
        // 可以在这里添加额外的逻辑，如权限检查
        return data->getSecretValue();
    }
};
```
- 外部模块通过DataProxy访问SensitiveData，避免了直接让外部模块成为SensitiveData的友元，符合开闭原则（可以在代理类中添加新的功能）和依赖倒置原则（依赖SensitiveData的抽象接口，如getSecretValue函数）。

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合理使用友元关系提升效率和灵活性的场景

减少友元关系负面影响的设计模式手段