Java 和 C++ 中子类对父类函数覆盖的可访问性缩小的区别

“Java 和 C++ 中子类对父类函数覆盖的可访问性缩小的问题”的题目看起来比较学术化,但的确是一个容易忽视的问题。本文力求详细阐述这一问题在 Java 以及 C++ 中的区别。

先介绍什么是“子类对父类函数覆盖的可访问性缩小”。对于继承而言,子类可以覆盖父类的“虚函数”——尽管 Java 中没有虚函数这一术语,但可以把 Java 的所有函数都看作虚函数,因为 Java 的所有函数都可以被子类覆盖。这里仅借用“虚函数”这一名词的含义,不深究语言的细节。Java 和 C++ 都允许在覆盖时,改变函数的可访问性。所谓“可访问性”,就是使用publicprotectedprivate等访问控制符进行修饰,用来控制函数能否被访问到。通常可访问性的顺序为(由于 C++ 中没有包的概念,因此暂不考虑包访问控制符,这并不影响这里的讨论):

以 Java 为例:

注意这里的sayHello()函数。父类Base中,该函数使用protected访问控制符进行修饰。而子类将其改用public,这不会有任何问题。子类对父类函数覆盖时,扩大可访问性,通常都不是问题。

当子类对父类函数覆盖的可访问性缩小时,Java 和 C++ 采取了不同的策略。

首先以 Java 为例,看下面的代码:

上面的代码中,高亮的第 8 行会有编译错误——这段代码根本不能通过编译!Java 不允许子类在覆盖父类函数时,缩小可访问性。至于原因,我们可以用一个例子来说明。例如我们在类外部写下面的代码:

假如之前的代码可以通过编译,那么就存在这么一种可能:当base指向new Base()时,sayHello()是可以访问到的,但是当base指向new Child()时,sayHello()却无法访问到!在 Java 看来这是一个矛盾,应该避免出现这种问题,因此,Java 从编译器的角度规定我们不能写出上面的代码。

针对 C++,情况又有所区别。来看 C++ 的例子:

这段代码在 C++ 中是完全正确的。注意,这里的子类在覆盖父类函数时,缩小了可访问性。如果你没有看出有什么问题,那么我们完全可以在类外部写出下面的代码:

第 2 行调用是失败的,因为在Child中,sayHello()private的,不能在外部调用。然而,当我们使用static_castChild强制转换成Base对象时,事情发生了改变——对于Base而言,sayHello()public的,因此可以正常调用。

针对这一点,C++ 标准的 Member access control 一章中的 Access to virtual functions 一节可以找到如下的例子:

对此,C++ 标准给出的解释是:

Access is checked at the call point using the type of the expression used to denote the object for which the member function is called ( B* in the example above). The access of the member function in the class in which it was defined (D in the example above) is in general not known.

简单翻译过来有两条要点:

  1. 访问控制是在调用时检查的,也就是说,谁调用了这个函数,就检查谁能不能访问这个函数
  2. 类中成员函数的可访问性一般而言是不知道的,也就是说,检查可访问性时,并不能知道这个函数在定义时到底是public的还是private的,因此也就无法据此检查可访问性

正因如此,C++ 的调用方似乎可以通过一些技巧性转换,“巧妙地”调用到原本无法访问的函数。一个更加实际的例子是:Qt 里面,QObject::event()函数是public,而其子类QWidgetevent()函数则改变成protected。具体可以阅读 Qt 的相关代码。

总结来说,在子类覆盖父类函数时,Java 严格限制了子类不能缩小函数可访问性,但 C++ 无此限制。个人认为,从软件工程的角度来说,Java 的规定无疑更具有工程上面的意义,函数的调用也更加一致。C++ 的标准则会明显简化编译器实现,但是对工程而言并不算很好的参考。

PS:C++ 标准的正式版是需要购买的,但是草案可以免费下载。C++ 标准草案的下载地址可以在下面的页面找到:https://isocpp.org/std/the-standard

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