Java vs C++：子类覆盖父类函数时的不同设计

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(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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