C++ 访问修饰符
在C++面向对象编程中，访问修饰符是控制类成员（数据成员和成员函数）可见性和访问权限的关键机制。理解不同访问修饰符的作用，对于正确设计类结构、实现数据封装和保护至关重要。
什么是访问修饰符？
访问修饰符决定了类的成员对外部代码的可见性和可访问性。C++提供了三种主要的访问修饰符：
- public - 公有成员
- private - 私有成员
- protected - 保护成员
三种访问修饰符详解
1. public（公有）
使用public关键字声明的成员可以被任何函数访问，包括类外部的函数。
cpp
class Student {
public:
// 公有成员
std::string name;
void displayDetails() {
std::cout << "Name: " << name << std::endl;
std::cout << "ID: " << id << std::endl; // 可以访问私有成员
}
};
int main() {
Student s1;
s1.name = "Alice"; // 正确：可以直接访问公有成员
s1.displayDetails(); // 正确：可以调用公有方法
return 0;
}
2. private（私有）
private成员只能被该类的成员函数访问，类的外部无法直接访问。这是实现封装的关键要素。
cpp
class Student {
private:
// 私有成员
int id;
double gpa;
public:
void setId(int studentId) {
id = studentId; // 类内部可以访问私有成员
}
int getId() {
return id; // 通过公有方法间接访问私有数据
}
};
int main() {
Student s1;
s1.setId(101); // 正确：通过公有方法设置私有成员
// s1.id = 102; // 错误：不能直接访问私有成员
std::cout << "ID: " << s1.getId() << std::endl; // 正确：间接访问
return 0;
}
3. protected（保护）
protected成员可以被当前类的成员函数和该类的派生类访问，但不能被类外的其他函数访问。
cpp
class Person {
protected:
std::string name;
int age;
public:
Person(std::string n, int a) : name(n), age(a) {}
void display() {
std::cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << std::endl;
}
};
class Student : public Person {
private:
int studentId;
public:
Student(std::string n, int a, int id) : Person(n, a), studentId(id) {}
void updateInfo(std::string newName, int newAge) {
name = newName; // 正确：派生类可以访问基类的protected成员
age = newAge; // 正确：派生类可以访问基类的protected成员
}
void displayStudentInfo() {
std::cout << "Student ID: " << studentId << std::endl;
display(); // 调用基类的公有方法
}
};
int main() {
Student s1("Bob", 20, 12345);
// s1.name = "Alice"; // 错误：protected成员在类外不可访问
s1.updateInfo("Alice", 21); // 正确：通过公有方法修改
s1.displayStudentInfo();
return 0;
}
访问修饰符的作用域
在C++类定义中，访问修饰符的作用范围是从该修饰符出现的位置开始，直到下一个访问修饰符出现或类定义结束。
cpp
class Example {
public:
int a; // 公有成员
double b; // 公有成员
private:
int c; // 私有成员
double d; // 私有成员
public:
void func1(); // 公有方法
protected:
int e; // 保护成员
void func2(); // 保护方法
};
类成员的默认访问级别
不同类型的C++类具有不同的默认访问级别：
- class - 默认为
private - struct - 默认为
public - union - 默认为
public
cpp
class DefaultClass {
int x; // 默认是private
};
struct DefaultStruct {
int y; // 默认是public
};
访问修饰符的实际应用
数据封装
封装是面向对象编程的核心原则之一，通过将数据成员设置为私有，提供公有的访问方法（getter和setter），可以实现数据的保护和验证。
cpp
class BankAccount {
private:
std::string accountNumber;
double balance;
public:
// 构造函数
BankAccount(std::string accNum, double initialBalance)
: accountNumber(accNum), balance(initialBalance) {}
// Getter方法
std::string getAccountNumber() const {
return accountNumber;
}
double getBalance() const {
return balance;
}
// Setter方法（带验证）
void deposit(double amount) {
if (amount > 0) {
balance += amount;
std::cout << "Deposited: $" << amount << std::endl;
} else {
std::cout << "Invalid deposit amount" << std::endl;
}
}
void withdraw(double amount) {
if (amount > 0 && amount <= balance) {
balance -= amount;
std::cout << "Withdrawn: $" << amount << std::endl;
} else {
std::cout << "Invalid withdrawal amount or insufficient funds" << std::endl;
}
}
};
int main() {
BankAccount acc("12345678", 1000.0);
std::cout << "Account: " << acc.getAccountNumber() << std::endl;
std::cout << "Initial balance: $" << acc.getBalance() << std::endl;
acc.deposit(500.0);
acc.withdraw(200.0);
std::cout << "Current balance: $" << acc.getBalance() << std::endl;
// 尝试非法操作
acc.deposit(-100.0); // 会被拒绝
acc.withdraw(2000.0); // 会被拒绝
return 0;
}
输出：
Account: 12345678
Initial balance: $1000
Deposited: $500
Withdrawn: $200
Current balance: $1300
Invalid deposit amount
Invalid withdrawal amount or insufficient funds
继承与保护成员
在继承关系中，protected成员允许派生类访问基类的一些内部实现，同时对外部代码保持隐藏。
cpp
class Shape {
protected:
int width;
int height;
public:
Shape(int w, int h) : width(w), height(h) {}
virtual double area() = 0; // 纯虚函数
};
class Rectangle : public Shape {
public:
Rectangle(int w, int h) : Shape(w, h) {}
double area() override {
return width * height; // 访问基类的protected成员
}
};
class Triangle : public Shape {
public:
Triangle(int w, int h) : Shape(w, h) {}
double area() override {
return 0.5 * width * height; // 访问基类的protected成员
}
};
int main() {
Rectangle rect(5, 4);
Triangle tri(5, 4);
std::cout << "Rectangle Area: " << rect.area() << std::endl;
std::cout << "Triangle Area: " << tri.area() << std::endl;
return 0;
}
输出：
Rectangle Area: 20
Triangle Area: 10
访问修饰符的选择原则
设计原则
- 最小特权原则: 成员应该拥有完成其任务所需的最小访问级别
- 数据隐藏: 数据成员通常应该是私有的
- 接口暴露: 需要被外部调用的方法应该是公有的
- 继承考虑: 可能被派生类使用但不应被外部访问的成员应设为保护的
友元（Friend）
有时我们需要让特定的外部函数或类访问当前类的私有或保护成员。C++的friend关键字允许我们声明这种特殊权限。
cpp
class Box {
private:
double width;
double height;
double depth;
public:
Box(double w, double h, double d) : width(w), height(h), depth(d) {}
// 友元函数声明
friend double calculateVolume(const Box& box);
// 友元类声明
friend class BoxFactory;
};
// 友元函数定义
double calculateVolume(const Box& box) {
// 可以直接访问Box的私有成员
return box.width * box.height * box.depth;
}
// 友元类
class BoxFactory {
public:
Box createCube(double side) {
return Box(side, side, side);
}
void resizeBox(Box& box, double factor) {
// 可以直接访问Box的私有成员
box.width *= factor;
box.height *= factor;
box.depth *= factor;
}
};
int main() {
Box myBox(2.0, 3.0, 4.0);
std::cout << "Box volume: " << calculateVolume(myBox) << std::endl;
BoxFactory factory;
Box cube = factory.createCube(5.0);
std::cout << "Cube volume: " << calculateVolume(cube) << std::endl;
factory.resizeBox(cube, 2.0);
std::cout << "Resized cube volume: " << calculateVolume(cube) << std::endl;
return 0;
}
输出：
Box volume: 24
Cube volume: 125
Resized cube volume: 1000
注意
虽然友元提供了一种灵活的方式来访问私有成员，但应谨慎使用，因为它可能破坏封装性。
访问修饰符对比
下表总结了三种访问修饰符的访问权限：
总结
C++访问修饰符是面向对象编程中实现封装和数据隐藏的基础机制：
- public: 类外可访问，没有限制
- private: 仅类内可访问，提供最高级别的封装
- protected: 类内和派生类可访问，适用于需继承的成员
正确使用访问修饰符可以：
- 保护数据不被非法修改
- 隐藏实现细节
- 控制类接口的暴露
- 支持类的演化和维护
练习题
- 编写一个
Person类，使用私有成员存储姓名和年龄，并提供公有的getter和setter方法。 - 创建一个
Vehicle基类和派生类Car，使用适当的访问修饰符实现继承关系。 - 设计一个
Circle类，隐藏半径数据，只暴露计算周长和面积的方法。
进一步阅读资源
- C++ Core Guidelines关于类和类层次结构的建议：C++ Core Guidelines
- 关于封装和信息隐藏的设计模式
- 深入了解C++中的继承和多态