Java vs C++:子类覆盖父类函数时缩小可访问性的不同设计

Java基础

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2020-5-30

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Java 和 C++ 都是面向对象的语言,允许对象之间的继承。两个语言的继承都设置有允许子类覆盖父类的“虚函数”,加引号是因为 Java 中没有虚函数这一术语,但是我们的确可以把 Java 的所有函数等同于虚函数,因为 Java 类的所有非 static 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,不深究语言的术语问题。

Java 和 C++ 都允许在子类覆盖父类时,改变函数的可访问性。所谓“可访问性”,就是使用 public 、protected、private 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):

public > protected > private

以 Java 为例:

class Base {
    protected void sayHello() {
        System.out.println("Hello in Base");
    }
}

class Child extends Base {
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello in Child");
    }
}

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。

本文要讲的是,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:

class Base {
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello in Base");
    }
}

class Child extends Base {
    private void sayHello() {
        System.out.println("Hello in Child");
    }
}

上面的代码中,第 8 行 **private void sayHello() {**会有编译错误,导致这段代码根本不能通过编译。因为 Java 不允许子类在覆盖父类函数时,缩小函数的可访问性,至于原因,我们可以用一个例子来说明。

例如我们在外部调用时使用下面的代码:

Base base = new Base();
base.sayHello();
base = new Child();
base.sayHello();

假如之前的代码可以通过编译,那么就存在这么一种可能:由于 Java 是运行时绑定,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。

而在 C++ 中,情况就不同了,来看 C++ 的例子:

class Base {
public:
    virtual void sayHello() {
        std::cout << "Hello in Base";
    }
}

class Child : public Base {
private:
    void sayHello() {
        std::cout << "Hello in Child";
    }
}

这段代码在 C++ 中是完全正确的,可以通过编译。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外部调用时使用下面的代码:

Child child;
child.sayHello(); // 不能通过编译,因为 sayHello() 是 private 的
static_cast<Base&>(child).sayHello(); // 可以通过编译,因为 sayHello() 是 public 的

第 2 行调用是失败的,因为在 Child 中,sayHello() 是 private 的,不能在外部调用。然而,当我们使用 static_cast 运算符将 Child 强制转换成 Base 类型时,事情发生了改变——对于 Base 而言,sayHello() 是 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《Access to virtual functions》一节可以找到如下的例子:

class B {
public:
    virtual int f();
};
class D : public B {
private:
    int f();
};
void f() {
    D d;
    B* pb = &d;
    D* pd = &d;
    pb->f(); // OK: B::f() is public, D::f() is invoked
    pd->f(); // error: D::f() is private
}

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:

  • 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。
  • 成员函数的可访问性一般是不知道的,也就是说,运行时检查可访问性时,并不能知道这个函数在定义时到底是 public 的还是 private 的。

正因如此,C++ 的调用方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。一个现实的例子是:在 Qt 里面,QObject::event() 函数是 public 的,而其子类 QWidget 的 event() 函数则改变成 protected。具体细节可以阅读 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。毕竟,一个明显标注了 private 的函数,无论任何情况都不应该允许在外部被调用。

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

作者介绍

程梁,软件工程师。目前专注于 Angular 项目研发,同时对 Java 服务器端开发、Qt 桌面开发等都有浓厚的兴趣,个人博客 https://www.devbean.net。

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