面试题：C++ 友元关系在模板类中的作用范围及应用

Question

请设计一个模板类TemplateClass，其中包含私有成员变量和成员函数。在模板类外部定义一个友元函数friend_template_func，该友元函数能够访问TemplateClass的私有成员。要求写出完整的模板类和友元函数的定义，并解释友元关系在模板类环境中的作用范围和注意事项。

Answer 1

#include <iostream>

// 模板类定义
template <typename T>
class TemplateClass {
private:
    T privateVar;
    void privateFunc() {
        std::cout << "This is a private function." << std::endl;
    }

    // 友元函数声明
    template <typename U>
    friend void friend_template_func(TemplateClass<U>& obj);
};

// 友元函数定义
template <typename T>
void friend_template_func(TemplateClass<T>& obj) {
    std::cout << "Accessing private variable: " << obj.privateVar << std::endl;
    obj.privateFunc();
}

友元关系在模板类环境中的作用范围和注意事项

1. 作用范围：

   • 友元函数friend_template_func可以访问TemplateClass模板类的私有成员，包括私有变量和私有函数。这意味着它能够绕过类的封装限制，直接访问类的内部状态。
   • 友元关系是针对特定的模板实例化的。在上述代码中，friend_template_func对TemplateClass<T>的所有实例化版本都具有友元访问权限。

2. 注意事项：

   • 破坏封装性：友元关系破坏了类的封装性原则，因为它允许外部函数直接访问类的私有成员。在使用友元关系时，需要谨慎考虑，确保只有真正必要的函数能够获得这种访问权限，以避免代码的过度耦合和安全性问题。
   • 模板实例化：在模板类中声明友元函数时，要注意模板参数的匹配。在上述代码中，friend_template_func的模板参数U与TemplateClass的模板参数T需要正确对应，否则可能会导致编译错误。同时，友元函数在使用时也需要确保其实例化的模板参数与模板类的实例化参数一致。
   • 命名空间：如果模板类和友元函数处于不同的命名空间，需要注意命名空间的正确使用，以确保友元声明和定义能够被正确解析。

例如，在使用时可以这样：

int main() {
    TemplateClass<int> obj;
    obj.privateVar = 42;
    friend_template_func(obj);
    return 0;
}

这样就展示了如何在模板类中使用友元函数来访问私有成员。