c++ - 当函数应该改变对象的状态时，是选择成员函数还是友元函数？

Question

在 Bjarne Stroustrup 的 The C++ Programming Language 一书中，作者介绍了一个必须实现函数 inv() 的矩阵类。在 11.5.1 节中，他谈到关于这样做的两种可能性。一个是创建一个成员函数，另一个是创建一个友元函数 inv()。然后在第 11.5.2 节的末尾，他谈到在选择使用友元函数还是成员函数时，他说:

If inv() really does invert Matrix m itself, rather than returning a new Matrix that is the inverse of m, it should be a member.

为什么会这样？友元函数不能改变 Matrix 的状态并返回引用那个矩阵？是不是因为有可能通过一个临时矩阵我们什么时候调用函数？..

Answer 1

老实说，我认为做出这样决定的唯一原因是句法方便和传统。我将通过展示两者之间的差异以及这些差异在做出决定时的重要性来解释原因。

非成员友元函数和公共(public)成员函数有什么区别？不多。毕竟，成员函数只是具有隐藏的 this 参数并可以访问类的私有(private)成员的常规函数​​。

// what is the difference between the two inv functions?
// --- our code ---
struct matrix1x1 { // this one is simple :P
private:
    double x;
public:
    //... blah blah
    void inv() { x = 1/x; }
    friend void inv(matrix1x1& self) { self.x = 1/self.x; }
};
matrix1x1 a;

// --- client code ---

// pretty much just this:
a.inv();
// vs this:
inv(a);

void lets_try_to_break_encapsulation(matrix1x1& thingy) {
    thingy.x = 42; // oops, error. Nope, still encapsulated.
}

它们都提供相同的功能，并且绝不会改变其他功能的功能。相同的内部结构暴露给外部世界:在封装方面没有区别。其他函数绝对没有什么可以做的，因为有一个友元函数可以修改私有(private)状态。

事实上，可以将具有大多数功能的大多数类编写为非成员友元函数(虚函数和一些重载运算符必须是成员)提供完全相同的封装量:用户不能在不修改类的情况下编写任何其他友元函数，除友元函数外，没有其他函数可以访问私有(private)成员。我们为什么不那样做？因为这与 99.99% 的 C++ 程序员的风格背道而驰，也没有太大的优势可以借鉴。

不同之处在于函数的性质和调用它们的方式。成为成员函数意味着您可以从中获得指向成员函数的指针，而成为非成员函数意味着您可以获得指向它的函数指针。但这很少相关(尤其是像 std::function 这样的通用函数包装器)。

剩下的区别是句法上的。 D语言的设计者决定把整个东西统一起来，说你可以通过传递一个像inv(a)这样的对象来直接调用一个成员函数，并调用一个自由函数作为它的第一个参数，如 a.inv()。并且没有任何类突然因为那个或其他原因而被严重封装。¹

针对问题中的特定示例，inv 应该是成员(member)还是非成员(member)？对于我上面概述的熟悉性论点，我可能会将其设为成员。非风格上，它没有什么区别。

---

¹。这在 C++ 中不太可能发生，因为在这一点上这将是一个破坏性的变化，没有实质性的好处。举个极端的例子，它会破坏我上面写的 matrix1x1 类，因为它使两个调用都变得不明确。