面试题：C++类访问控制在继承体系下对封装性的复杂影响

Question

在C++的继承体系中，基类的不同访问控制属性（public、private和protected继承）如何影响派生类对基类成员的访问以及整体的封装性？请详细分析每种继承方式下，派生类对象和派生类成员函数对基类成员的访问规则，并举例说明这种访问控制对封装性的具体影响。

Answer 1

public继承

1. 派生类成员函数对基类成员的访问：
   • 基类的public成员在派生类中仍然是public的，可以被派生类的成员函数直接访问。
   • 基类的protected成员在派生类中仍然是protected的，可以被派生类的成员函数访问。
   • 基类的private成员在派生类中是不可访问的，派生类成员函数无法直接访问基类的private成员。
2. 派生类对象对基类成员的访问：
   • 派生类对象可以访问基类的public成员，但不能访问基类的protected和private成员。
3. 对封装性的影响：public继承保持了基类的接口特性，派生类对象可以像使用基类对象一样使用基类的public成员，很好地遵循了面向对象的Liskov替换原则，有利于代码的复用和扩展，同时也维护了一定的封装性，因为private和protected成员依然受到保护。
   • 示例：

class Base {
public:
    int publicData;
protected:
    int protectedData;
private:
    int privateData;
};

class PublicDerived : public Base {
public:
    void accessBaseMembers() {
        publicData = 1; // 可以访问
        protectedData = 2; // 可以访问
        // privateData = 3; // 编译错误，无法访问
    }
};

int main() {
    PublicDerived pd;
    pd.publicData = 4; // 可以访问
    // pd.protectedData = 5; // 编译错误，无法访问
    // pd.privateData = 6; // 编译错误，无法访问
    return 0;
}

private继承

1. 派生类成员函数对基类成员的访问：
   • 基类的public和protected成员在派生类中都变为private的，可以被派生类的成员函数直接访问。
   • 基类的private成员在派生类中仍然是不可访问的，派生类成员函数无法直接访问基类的private成员。
2. 派生类对象对基类成员的访问：
   • 派生类对象不能访问基类的任何成员（包括原来的public成员，因为在private继承下都变为private了）。
3. 对封装性的影响：private继承使得基类的所有可访问成员在派生类中变为private，极大地增强了封装性，派生类对象无法直接访问基类的接口，基类的实现细节被更好地隐藏起来，但是也限制了派生类对象对基类接口的使用，代码的复用性相对public继承会降低。
   • 示例：

class Base {
public:
    int publicData;
protected:
    int protectedData;
private:
    int privateData;
};

class PrivateDerived : private Base {
public:
    void accessBaseMembers() {
        publicData = 1; // 可以访问，变为private
        protectedData = 2; // 可以访问，变为private
        // privateData = 3; // 编译错误，无法访问
    }
};

int main() {
    PrivateDerived pd;
    // pd.publicData = 4; // 编译错误，无法访问
    // pd.protectedData = 5; // 编译错误，无法访问
    // pd.privateData = 6; // 编译错误，无法访问
    return 0;
}

protected继承

1. 派生类成员函数对基类成员的访问：
   • 基类的public和protected成员在派生类中都变为protected的，可以被派生类的成员函数直接访问。
   • 基类的private成员在派生类中仍然是不可访问的，派生类成员函数无法直接访问基类的private成员。
2. 派生类对象对基类成员的访问：
   • 派生类对象不能访问基类的任何成员（包括原来的public成员，因为在protected继承下都变为protected了）。
3. 对封装性的影响：protected继承介于public和private继承之间，它保护了基类的接口，使得派生类对象无法访问基类接口，但派生类的派生类（如果有）可以访问基类的public和protected成员（在变为protected的情况下），在一定程度上维护了封装性和代码的扩展性。
   • 示例：

class Base {
public:
    int publicData;
protected:
    int protectedData;
private:
    int privateData;
};

class ProtectedDerived : protected Base {
public:
    void accessBaseMembers() {
        publicData = 1; // 可以访问，变为protected
        protectedData = 2; // 可以访问，变为protected
        // privateData = 3; // 编译错误，无法访问
    }
};

int main() {
    ProtectedDerived pd;
    // pd.publicData = 4; // 编译错误，无法访问
    // pd.protectedData = 5; // 编译错误，无法访问
    // pd.privateData = 6; // 编译错误，无法访问
    return 0;
}