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问题

c#中没有友元类那么这种设计是否不太合理，如何修改才能得到更好的方案？

回答
在C中确实不存在Java或C++那样的“友元类”（friend class）机制。这常常让习惯了这种特性的开发者感到不适应，甚至认为这种设计“不太合理”。但实际上，C的设计哲学侧重于封装和明确的接口，友元类这种打破封装的特性并非是其追求的目标。

那么，这种设计真的“不合理”吗？或者说，我们是否可以找到更符合C精神、同时又能实现类似功能的“更好方案”呢？

为什么C没有友元类？

要理解C的设计选择，首先要明白“友元类”的初衷是什么。友元机制允许一个类访问另一个类的私有（private）和保护（protected）成员。这通常是为了解决以下几种场景：

1. 紧密耦合的辅助类： 当一个类（如一个迭代器或一个工厂）需要深度参与另一个类的内部运作，但又不是该类的一部分时。
2. 性能优化： 在某些情况下，允许某些类直接访问内部数据可以避免额外的函数调用或数据复制，提升性能。
3. 数据结构实现： 某些复杂的数据结构可能需要多个类协同工作，共享内部状态。

然而，友元类也带来了显著的缺点：

破坏封装： 这是最核心的问题。友元机制直接允许外部类窥探并修改内部实现细节，违背了面向对象编程中封装的核心原则——隐藏实现细节，只暴露必要的接口。一旦一个类成为另一个类的友元，就意味着这两个类之间建立了非常紧密的、甚至是内部的依赖关系，降低了代码的可维护性和可重用性。
代码可读性差： 当你看到一个类拥有友元时，你需要去查找这个友元类，了解它为什么能访问那些私有成员，这增加了理解代码的难度。
重构困难： 如果需要修改被访问类的私有实现，很可能会影响到其所有友元类。

C的设计理念更倾向于：

强封装： 鼓励将数据和操作封装在类内部，通过公共接口（public methods, properties）进行交互。
明确的访问修饰符： `public`, `protected`, `internal`, `private` 提供了细粒度的访问控制。`internal` 尤其值得关注，它允许同一程序集（assembly）中的类访问，这已经在某种程度上提供了对特定范围的可见性。
组合优于继承： C更鼓励通过组合（composition）来构建对象，而不是过度依赖继承和其可能带来的紧耦合。

“友元类”在C中的替代方案和更优设计

既然C没有友元类，我们如何才能在实践中解决那些需要“友元类”才能解决的问题呢？答案在于寻找更符合C封装原则、同时又能实现所需功能的设计模式和技巧。

1. 使用 `internal` 和 `internal protected`

这是最直接、也是最符合C语言特性的替代方案。

`internal`： 允许同一程序集（assembly）中的所有类访问。如果你的“友元类”和被访问类都属于同一个逻辑单元，并且你希望它们之间能够“亲密”地交流，那么将它们放在同一个程序集中，并使用 `internal` 修饰符是非常合适的。例如，一个数据访问层（DAL）和一个服务层（Service Layer）可能都在同一个程序集中，服务层可能需要访问DAL的一些内部方法或属性来获取和处理数据。

场景示例：
假设你有一个 `Order` 类和一个 `OrderProcessor` 类，`OrderProcessor` 需要访问 `Order` 的一些私有状态（例如，一个用于内部计算的私有字段）。如果这两个类都在一个名为 `MyCommerce.dll` 的程序集中，你可以这样做：

```csharp
// 在 MyCommerce.dll 程序集中
public class Order
{
private decimal _subTotal;
internal decimal SubTotal // 暴露给同一程序集中的其他类
{
get { return _subTotal; }
}

public Order(decimal subTotal)
{
_subTotal = subTotal;
}

// ... 其他 Order 的逻辑
}

public class OrderProcessor
{
public decimal CalculateTax(Order order)
{
// OrderProcessor 可以在 OrderProcessor.cs 文件中，
// Order 可以在 Order.cs 文件中，只要都在同一个程序集中，就可以访问 internal 成员。
return order.SubTotal 0.08m; // 访问 internal 的 SubTotal
}
}
```

`internal protected`： 这是 `internal` 和 `protected` 的组合。它允许同一程序集中的类访问，也允许派生自该类的、但位于不同程序集中的类访问。这个组合的场景相对特殊一些，通常用于框架设计或需要更精细控制跨程序集访问的场景。

何时使用 `internal` 是“合理”的？

当你的“友元类”实际上是同一 逻辑单元 的一部分时，`internal` 是非常合适的。例如：

一个领域模型中的聚合根和其内部实体： 聚合根需要管理其内部实体的生命周期和状态。
ORM（对象关系映射）框架的内部实现： ORM框架需要访问被映射类的私有字段来填充数据。
一个组件内的协作类： 比如一个UI控件的内部组件，需要与主控件进行紧密交互。

优点：

封装未破环： 仍然保持了类自身的封装，只是对同一程序集内的“朋友”开放了接口。
清晰的范围： 访问范围是明确限定在程序集内。
易于理解： 比友元类机制更易于理解其访问逻辑。

2. 使用属性或方法暴露必要信息/行为

如果“友元类”需要访问的仅仅是某个计算结果或执行某个操作，那么最直接、最符合OOP原则的方式就是通过公共（public）或受保护（protected）的属性或方法来暴露。

场景示例：
你的 `Order` 对象需要计算税费，并且 `OrderProcessor` 需要这个税费信息。而不是让 `OrderProcessor` 直接访问 `Order` 的私有字段，可以这样做：

```csharp
public class Order
{
private decimal _subTotal;

public Order(decimal subTotal)
{
_subTotal = subTotal;
}

// 提供一个公共方法来计算税费，或者返回需要的信息
public decimal GetTaxAmount()
{
// 内部逻辑是私有的
return _subTotal 0.08m;
}

// 或者，如果只是需要子总，直接暴露一个计算属性
public decimal SubTotal
{
get { return _subTotal; }
}
}

public class OrderProcessor
{
public decimal CalculateTotalWithTax(Order order)
{
// 通过公共方法或属性获取所需信息
return order.SubTotal + order.GetTaxAmount();
}
}
```

优点：

彻底的封装： 完全符合封装原则，对外隐藏内部实现细节。
高可维护性： `Order` 类的内部实现（如 `_subTotal` 的存储方式）可以随意修改，只要 `GetTaxAmount` 或 `SubTotal` 属性的签名不变，`OrderProcessor` 就不会受到影响。
可测试性强： 更容易对 `Order` 类和 `OrderProcessor` 类进行单元测试。

缺点：

可能增加函数调用： 如果一个操作需要多次访问私有成员，每次通过getter调用会增加开销（通常可以忽略不计，除非极度性能敏感）。

3. 设计模式：策略模式 (Strategy Pattern)

当你想让一个算法或行为可以在不同的实现之间切换时，策略模式是一个好选择。这也可以解决一些需要“友元类”访问权限的场景，因为它允许一个上下文类与一个或多个策略类进行交互，而无需直接暴露其内部状态。

场景示例：
假设你有一个 `PaymentProcessor` 类，它需要根据不同的支付方式（如信用卡、PayPal）执行不同的计费逻辑。你可以将计费逻辑提取到独立的策略类中。

```csharp
// 策略接口
public interface IPaymentFeeStrategy
{
decimal CalculateFee(decimal amount);
}

// 具体策略实现
public class CreditCardFeeStrategy : IPaymentFeeStrategy
{
public decimal CalculateFee(decimal amount)
{
// 信用卡 fee 逻辑
return amount 0.02m;
}
}

public class PayPalFeeStrategy : IPaymentFeeStrategy
{
public decimal CalculateFee(decimal amount)
{
// PayPal fee 逻辑
return amount 0.03m + 1m; // 固定费用 + 百分比
}
}

// 上下文类
public class PaymentProcessor
{
private readonly IPaymentFeeStrategy _feeStrategy;

public PaymentProcessor(IPaymentFeeStrategy feeStrategy)
{
_feeStrategy = feeStrategy ?? throw new ArgumentNullException(nameof(feeStrategy));
}

public decimal ProcessPayment(decimal amount)
{
decimal fee = _feeStrategy.CalculateFee(amount);
// PaymentProcessor 并不需要知道 feeStrategy 的内部如何计算 fee，
// 它只需要调用 CalculateFee 方法。
return amount + fee;
}
}
```

在这个例子中，`PaymentProcessor` 与具体的计费策略类之间没有直接的“友元”关系，它们通过一个共享的接口进行通信。`PaymentProcessor` 不需要访问 `CreditCardFeeStrategy` 的私有成员。

优点：

高内聚，低耦合： 不同的算法被封装在独立的类中。
易于扩展： 添加新的支付方式（新的策略）非常容易，只需实现 `IPaymentFeeStrategy` 接口即可。
灵活： 可以根据需要动态切换策略。

4. 设计模式：组合（Composition）

C强力推荐组合优于继承。许多原本可能需要友元关系的场景，都可以通过将一个类的功能分解到更小的、可组合的类中来解决。

场景示例：
假设你有一个 `ReportGenerator` 类，它需要访问 `ReportData` 类的内部结构来生成报表。`ReportData` 可能有一个私有的数据集。

非优方案（可能需要友元）： `ReportGenerator` 直接访问 `ReportData` 的私有列表。
优方案（组合）： 将数据加载和数据处理逻辑分解。

```csharp
// 负责加载数据，可以放在一个独立的类中
public class DataFetcher
{
// 可能需要访问一些内部数据源或进行一些内部准备工作
internal List FetchInternalData() { / ... / return new List(); }
}

// 负责处理数据，可以是一个独立的类
public class DataProcessor
{
private readonly DataFetcher _fetcher;

public DataProcessor(DataFetcher fetcher)
{
_fetcher = fetcher;
}

public List ProcessedData()
{
// 使用 DataFetcher 来获取和处理数据
// DataFetcher 的 FetchInternalData 可能是 internal 的，
// 但 DataProcessor 是同一程序集中的成员，可以访问。
// 或者 DataFetcher 提供一个 public 方法来返回处理后的数据。
return _fetcher.FetchInternalData();
}
}

// 报告生成器使用处理后的数据
public class ReportGenerator
{
private readonly DataProcessor _processor;

public ReportGenerator(DataProcessor processor)
{
_processor = processor;
}

public void Generate()
{
var data = _processor.ProcessedData();
// ... 使用 data 进行报告生成
}
}
```

通过将数据获取和处理分离成独立的组件，并使用组合的方式将它们连接起来，`ReportGenerator` 只需要与 `DataProcessor` 交互，而无需直接干预 `ReportData` 的内部实现（如果 `ReportData` 是一个概念上的集合，而不是一个具体类的话）。即使 `DataFetcher` 内部使用了 `internal`，这种分解也使得整体结构更清晰。

优点：

模块化： 代码被分解成更小的、可管理的单元。
灵活性： 组件可以被重用或替换。
清晰的职责： 每个类只负责一件事情。

5. 考虑类设计的“边界”

有时候，我们感到需要友元类，是因为我们在类的设计上没有划清边界，或者把太多不相关的职责放到了一个类里。

反思问题：

我是否把一个类的内部数据结构设计得过于暴露，以至于其他类需要直接访问它？
我是否应该将这些需要协同工作的类设计成一个整体（例如，一个包含内部组件的对象），或者将共享的状态管理在一个独立的“服务”或“管理器”类中？
这个被访问的私有成员，它真的是“私有”的吗？还是说它在逻辑上属于一个更广泛的单元，只是为了封装而标记为 `private`？

重新思考你的类职责划分。

如果两个类需要紧密协作，并且共享很多内部状态，考虑将它们合并成一个类，或者将它们设计成一个复合对象的一部分。
如果一个类需要提供某种服务给其他类，但又不希望暴露所有内部细节，考虑使用“暴露接口（Exposed Interface）”的模式，或者将部分功能封装到辅助类中，并通过公共方法暴露这些辅助类的能力。

结论：C的设计是合理的，并且有更优雅的解决方案

C没有友元类并非“不合理”，而是遵循了更严格的封装原则。它鼓励开发者思考如何通过设计模式、访问修饰符的恰当使用以及清晰的职责划分来解决问题，而不是依赖于打破封装的机制。

对于开发者来说，关键在于理解C的这些设计哲学，并学会运用 `internal`、公共/受保护的成员、设计模式（如策略模式、组合）以及审慎的类设计来构建健壮、可维护的代码。当你觉得需要“友元类”时，不妨停下来思考一下：

1. 是否有办法通过公共接口或`internal`成员来满足需求？
2. 我的类是否承担了过多的职责？
3. 是否可以通过分解类、引入新的辅助类或使用设计模式来达到目的？

通常情况下，你会发现答案藏在这些思考之中，而且解决方案会比使用一个模拟的“友元类”机制更加清晰、灵活和健壮。

网友意见

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这是C#类型系统无法解决的问题。但是通常来说不那么追求洁癖的话也没什么太大的关系。

C#的友元只能到程序集的层面，没有类型层面上的友元。通常这种问题用internal interface解决（如果有继承关系也可以用protected interface），当然这个也没有办法细化到类型的级别，但一般够用。


顺便说一下什么叫做internal interface，这个要借助C#的一个特性，叫做显示接口实现。

显示接口实现有一个非常有用的特性，就是显示接口实现的成员其可见性等价于接口。这就带来一种手法：

       internal interface IFoo {   void SetName( string name ); }  public class MyClass : IFoo {   public Name { get; private set; }   void IFoo.SetName( string name ) => Name = name; }

这样就使得，任何可以看到IFoo接口的类型，都可以调用SetName方法，而任何看不到IFoo接口的类型，都不能调用。


当然有人会说，为啥要这么麻烦？我直接写成这样不就好了？

         public Name { get; internal set; }

这样的确可以，但是显示接口实现的好处在于更好的语义提示：

       public void ResetName( MyClass instance) =>   ((IFoo) instance).SetName( "" );

这里的强转可以起到语义提示，我要干坏事了……



当然，未来C#里面会增加扩展属性（和扩展方法一样），到时候可以在很大程度上解决这个问题。当然不嫌丑的话，也可以用扩展方法解决。

要实现这一点，我们就必须把Equipment从Human剥离出来。然后用一个EquipmentContainer来管理这一个东西，很显然，当Equipment从Human剥离出来后，他的set的问题就被彻底解决了。因为很显然的，Human并没有设置Equipment，它本质上是被EquipAction所使用的。

在使用扩展方法的模式下，这会使得代码变得丑陋：

       internal sealed class EquipmentContainer {   public IEquipment Equipment{ get; set; } }  public static class EquipmentExtensions {   public static IEquipment GetEquipment( Human human )   {     return human.Features.Get<EquipmentContainer>().Equipment;// Features参考AspNetCore的设计。   }    internal static void SetEquipment( Human human, IEquipment equipment )   {     human.Features.Get<EquipmentContainer>().Equipment = equipment;   } }

顺便说一下这个EquipmentContainer的意义在哪里，它的意义就在于，当你看不到这个类型的时候，你永远也没法给Human设置Equipment，如果我们不用这样一个中介而直接使用IEquipment，则因为Features方法是public的，导致任何人都可以设置Equipment

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