面试题：C++ 友元函数安全性与代码结构及设计模式

Question

从代码结构和设计模式的角度出发，分析 C++ 类友元函数对软件安全性和可维护性的深层次影响。例如，在大型项目中，友元函数的过度使用可能如何破坏模块的封装性，进而影响整个系统的安全性。假设你正在参与一个基于设计模式（如观察者模式）构建的大型 C++ 项目，项目中存在一些类友元函数，描述如何重构这些友元函数，以在不破坏现有设计模式的前提下，增强代码的安全性和可维护性，并说明重构的步骤和理由。

Answer 1

友元函数对软件安全性和可维护性的影响

1. 破坏封装性：
   • 在 C++ 中，类的封装性通过访问修饰符（private、protected 和 public）来实现。友元函数可以访问类的私有和保护成员，这打破了类的封装边界。在大型项目中，过度使用友元函数会使类的内部实现细节暴露给外部函数，其他模块可能依赖这些内部细节。如果类的内部实现发生变化，依赖这些友元函数的模块也需要相应修改，从而影响系统的稳定性和安全性。
   • 例如，一个模块中类的私有数据成员结构改变，如果有很多友元函数直接访问该私有成员，就需要逐个修改这些友元函数，增加了维护成本。
2. 影响可维护性：
   • 友元函数的存在使得代码结构变得复杂。当阅读类的代码时，不仅要关注类本身的成员函数，还要考虑哪些外部函数是友元并可能访问其内部状态。在大型项目中，这会增加理解代码逻辑的难度，尤其是对于新加入项目的开发人员。
   • 例如，一个类有多个友元函数，且这些友元函数分布在不同的源文件中，追踪对类内部状态的修改变得困难，不利于代码的调试和维护。

重构友元函数以增强安全性和可维护性（以观察者模式为例）

1. 重构步骤：
   • 步骤一：分析友元函数功能：仔细研究每个友元函数的功能，确定它们访问类私有成员的目的。例如，在基于观察者模式的项目中，可能存在友元函数用于直接通知观察者，访问被观察对象的私有状态来获取通知所需的数据。
   • 步骤二：使用成员函数替代：将友元函数的功能尽量封装到类的公有或保护成员函数中。对于需要访问私有成员的操作，通过类的成员函数来进行间接访问。这样可以保持类的封装性，同时提供统一的接口来操作类的内部状态。例如，如果友元函数是为了获取某个私有数据成员用于通知观察者，可以在被观察类中添加一个公有成员函数来获取经过处理的相关数据。
   • 步骤三：调整观察者模式实现：在重构友元函数后，需要调整观察者模式中相关的通知逻辑。如果之前友元函数直接调用观察者的更新函数，现在应通过被观察类的成员函数来进行通知。确保通知流程仍然符合观察者模式的设计原则，即被观察对象状态改变时能正确通知所有观察者。
2. 重构理由：
   • 增强安全性：通过将操作封装到类的成员函数中，减少了外部函数对类内部状态的直接访问，降低了因误操作或恶意访问导致的安全风险。只有通过类提供的公有接口才能访问其内部状态，提高了代码的安全性。
   • 提高可维护性：将功能封装到类的成员函数中，使得代码结构更加清晰。类的行为和数据封装在一起，便于理解和维护。同时，对于观察者模式，保持模式的完整性有助于后续开发人员更容易理解和扩展系统，因为他们可以专注于模式的标准流程，而不必处理复杂的友元函数逻辑。