C++类中数据成员要私有

简介: C++类中数据成员要私有

1.为什么数据成员不能为公有(public)


开门见山,首先解释为什么数据成员不能为公有(public),然后会说明为什么一样的约束也适用于保护(protected)成员。那么为什么我们不能把数据成员声明为公有?


语法一致性


试想一下,如果类的公有接口全部都是函数,用户就不用抓耳挠腮地思考到底要不要给一个成员后面加括号,弄清楚现在使用的到底是成员数据还是成员函数。如果我们把所有成员数据从公有接口拒之门外,类的接口显然会更加用户友好。


myObject.someStuff;    // 成员数据
myObject.someStuff();  // 成员函数
//到底要用哪个?


访问权限的精确限制


如果数据成员是公有的,任何代码都可以对其进行读写,根本没有权限控制。如果我们希望实现各种读写权限的控制,就只能将其声明为私有,并使用成员函数执行不可读写、只读、可读写、甚至是只写的权限,因为唯一接触非公有成员数据的方法就是通过成员函数 (友元函数当然也可以,只不过在本文我们先只讨论成员函数,在后面的文章中会讲到友元函数与封装)。举一个简单的例子,实现上面的四种权限:


class AccessLevels{
  public:
    ...
    int getReadOnly() const      {return readOnly;}   // 读取只读的成员
    void setReadWrite(int value) {readWrite = value;} // 写入可读写的成员
    int getReadWrite() const     {return readWrite;}  // 读取可读写的成员
    void setWriteOnly(int value) {writeOnly = value;} // 写入只写的成员
  private:
    int noAccess:  // 这个成员既不能读也不能写
    int readOnly;  // 这个成员只读
    int readWrite; // 这个成员可读可写
    int writeOnly; // 这个成员只写
};


封装


假设你正在给高速公路上的测速设备写一个应用,有一条需求规定要在每辆车经过时,计算出车的当前速度,并把这个速度放进一个数据集中。然后,使用这个数据集计算平均速度,即averageSpeed函数()。如下所示


class SpeedDataCollection{
  ...
  public:
    void addValue(int speed);      // 把当前测得的速度放进数据集中
    double averageSpeed() const;  // 利用数据集计算平均速度
  ..
};


对于averageSpeed函数()用两种实现思路:


(1).在类中增加一个表示移动平均(moving average)的数据成员,当averageSpeed()函数被调用,只用返回这个数据成员就可以了。但这种方法显然会导致SpeedDataCollection对象所需的内存增大,因为我们引入了新的移动平均成员,以及为了计算移动平均又需要引入当前所有数据的和以及数据的量。


(2).在被调用时,现场基于数据集计算这个平均速度。这种方法使用更少内存,只需要定义一个新的inline函数。但在被调用时需要现场计算,使用这个方法肯定要慢于第一种方法。
至于哪个更好,要看具体的环境。在内存较为有限的平台上,例如测速设备的嵌入式系统,而且平均速度不需要太频繁地被计算,例如在车流量较少的路上,第二种方法可能会更好。如果在车流量大的路上,平均速度则需要被频繁并且快速地计算,那么第一种方法可能会更好。


重点来了,如果希望把我们的应用做得用户友好,易于扩展和维护,例如可以针对不同的路况使用不同的实现方法,我们只需要把这个平均速度的数据成员封装起来,即把它声明为私有,对用户隐藏起来。需要时通过成员函数接触,不需要时直接使用另一种实现,就可以轻松地根据需求来回切换,最多也就只用重新编译一下。


如果不封装起来(即声明为公有),如果那时要再改需求,恐怕难度就会非常巨大。因为我们不知道用户在哪以及如何使用了我们的数据成员,稍微改动便有可能导致整个程序的重写。也就是说公有成员即为未封装(unencapsulated)的成员,而未封装也就意味着代码的不可改动,尤其是对于经常被使用的类。


除此之外,将数据成员对用户隐藏起来(封装起来)还可以给各种各样的实现提供弹性。例如,可以通过成员函数来保证类不变量(class invariant)的限制条件被满足。因为只有成员函数能接触成员数据,对数据所做的改动也都只能遵循成员函数的规定。可能你会从public接触成员获得一时便利,但这背后牺牲了太多


2.数据成员为什么也不能为保护(protected)


同样的约束也适用于保护(protected)的数据成员。上面提到的语法一致性和权限控制显然也成立,那么封装呢? 保护的成员是不是比公有成员有更好的封装呢?答案是不。


对于数据成员,它们的封装与因为它们的改动而导致可能失效的代码量成反比。假如我们的代码中有某些公有数据成员在后来的升级中被移除,那么有多少用户代码因此失效了呢?答:所有使用了这些数据成员的用户代码。这是一个不可测的数量,可能趋近于无穷大,也可能趋近于零,因此考虑到最坏的情况,公有数据成员是完全未封装的。


假如我们的代码中有某些保护数据成员在后来的升级中也被移除,那么有多少代码也因此失效了呢?答:所有使用了它们的子类。这又是一个不可测的量。因此,保护数据成员与公有数据成员是一样完全未封装的。在两种情况下,改动都有可能造成巨大数量的代码损坏。


最终结论一旦我们在类中将某些数据成员声明为保护或公有,并且用户已经开始使用这些数据成员,我们将很难对这些数据成员再作出改动,否则可能就会导致巨大数量的代码被重写,重新测试,重新写文档。因此从封装的角度出发,数据成员的访问权限只有两个等级:私有(private)提供完全的封装、其它所有的(即protected和public)提供几乎零封装。


3.总结


(1).数据成员一定要声明为私有,这样能给用户提供语法一致性、精确的访问权限控制。保证类不变量的成立,各种功能实现的弹性。

(2).保护成员并不比公有成员更具封装性。


4.参考资料


[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/80538530

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