Краткий ответ

Объявление функции как friend разрешает ей обращаться к закрытым и защищённым членам указанного класса. При этом функция не становится членом класса: у неё нет неявного параметра this, она не участвует в наследовании и не вызывается с синтаксисом метода.

Исторический контекст

Дружественные функции нужны для случаев, когда операция логически является внешней функцией, но должна работать с внутренним представлением класса. Это особенно полезно для симметричных операторов, потокового ввода-вывода и фабрик, которым неудобно или неправильно становиться методами класса.

Подход позволяет сохранить закрытое состояние объекта для обычного кода и одновременно явно перечислить доверенные внешние сущности. Доступ предоставляется точечно, через декларацию дружбы, а не всему пространству имён или модулю.

Постановка проблемы

Если внешняя функция обращается к закрытому полю без специального разрешения, программа не компилируется. Переносить такую операцию в публичный метод не всегда желательно: это может расширить интерфейс класса и раскрыть лишнюю операцию.

Объявление friend решает проблему доступа, но создаёт тесную связь между функцией и внутренним устройством класса. Изменение закрытых полей может потребовать изменения дружественной функции, поэтому дружбу не следует использовать как универсальную замену инкапсуляции.

Подробное решение

Дружественная функция проверяется компилятором так, как будто ей разрешён доступ к private и protected членам класса. Это разрешение относится только к конкретной функции или классу, указанным в объявлении дружбы.

Дружественная функция не является членом класса. Она не получает this, не может быть виртуальной функцией класса и не наследует свойства методов. Вызов обычно выполняется как вызов свободной функции.

#include <iostream>

class Account {
    int balance = 100;
    friend void print_balance(const Account&);
};

void print_balance(const Account& account) {
    std::cout << account.balance << '
';
}

Здесь print_balance имеет доступ к balance, но Account не содержит метода print_balance. Дружба является односторонней и не распространяется автоматически: если Account дружит с Inspector, это не делает Inspector другом другого класса. Дружба также не наследуется производными классами.

Дружественной может быть функция, другой класс или конкретный метод другого класса. Предоставлять дружбу всему классу следует осторожно: это даёт доступ всем его методам, хотя реально он может требоваться только одному.

У дружественной функции, определённой прямо внутри класса, есть дополнительная особенность: она является функцией внешнего пространства имён, а не членом класса; такое определение не превращает её в метод. При проектировании интерфейса важно также учитывать поиск имён и возможное обнаружение такой функции через аргумент-зависимый поиск.

Ситуация из практики

Допустим, класс Matrix хранит элементы в закрытом буфере, а операция умножения должна быть внешней функцией. Публичные методы доступа к каждому элементу упростили бы реализацию умножения, но увеличили бы открытый интерфейс и могли бы ухудшить контроль инвариантов.

Варианты решения:

Публичные геттеры — проще тестировать и слабее связывают код с приватными полями, но могут раскрыть слишком много деталей и привести к множественным проверкам доступа.
Метод класса — хорошо подходит, если операция естественно принадлежит одному объекту, но для симметричных операций или двух равноправных операндов интерфейс может стать менее выразительным.
Дружественная функция — сохраняет внешний синтаксис операции и получает необходимый доступ, но тесно связывается с внутренним представлением.

Если операция действительно является частью логики абстракции, а не просто способом обойти инкапсуляцию, разумно объявить конкретную функцию дружественной. При этом следует предоставить дружбу только ей и не использовать её для массового доступа к состоянию.

Что кандидаты часто упускают

1. Может ли дружественная функция обращаться к private членам без объекта?

Нет, дружба разрешает доступ, но не создаёт объект класса и не даёт неявный this. Для обращения к нестатическому полю всё равно нужен конкретный объект, переданный явно или полученный другим способом. Дружественная функция может обращаться без объекта только к статическим членам и другим сущностям, для которых объект не требуется.

2. Передаётся ли дружба производному классу?

Нет. Если функция объявлена другом базового класса, она получает доступ к закрытым членам базового класса, но это не делает её автоматически другом производного класса. Закрытые члены производного класса требуют отдельного разрешения; защищённые члены регулируются собственными правилами доступа.

3. Можно ли сделать дружественную функцию виртуальной?

Нет. Виртуальность относится к нестатическим функциям-членам, для которых существует объект и неявный параметр this. Свободная функция, в том числе дружественная, не является членом класса, поэтому динамический полиморфизм через таблицу виртуальных функций к ней неприменим.