6.2.6 类成员的访问控制
类成员包括类的成员变量和成员函数，它们分别用来描述类的属性和行为。而类成员的访问控制决定了哪些成员是公开的，可以被外界访问，也可以被自身访问；哪些成员是私有的，只能在类的内部访问，外界无法访问。就像一个人的钱包，只有他自己能动，别人是不能动的。又如同自己藏的私房钱也只有自己知道，对其他人而言，私房钱是完全隐藏的。
大家可能会问，为什么要对类成员的访问加以控制，大公无私地谁都可以访问不是挺好的吗？这是因为在现实世界中，人们对事物的访问是受到控制的，我们可以访问到某些事物，但不可能访问到任何事物。就如同我们只能知道自己钱包里有多少钱，而无法知道别人钱包里有多少钱一样。这一点反映到C++中，就成了类成员的访问控制。可以设想这样的情形：钱包里的钱只能由自己访问，别人是无权访问的。当它成为“人”这个类的一个属性，用某个成员变量来表示后，其访问自然也应该受到控制，只能由“人”这个类自身的行为（成员函数）来访问，对于外界其他函数而言，这个成员变量就被隐藏起来是不可见的，自然也就无法访问。如果不对访问加以控制，谁都可以访问，那就很有可能其他函数（小偷）会错误地修改这个本不该它修改的数据，数据安全无法得到保证。换句话说，要想让我们钱包里的钱安安稳稳的，要想让类的成员避免不安全的访问，我们必须对类成员的访问加以控制。
在C++中，对类成员的访问控制是通过设置成员的访问级别来实现的。按照访问范围的大小，访问级别被分为公有类型（public）、保护类型（protected）和私有类型（private） 三种，如图6-9所示。
1. 公有类型
公有类型的成员用关键字public修饰，在成员变量或者成员函数前加上public关键字就表示这是一个公有类型的成员。公有类型的成员的访问不受限制，在类的内外都可以访问，但它更多的还是作为类提供给外界访问的接口，是类跟外界交流的通道，外界通过访问公有类型的成员完成跟类的交互。例如Teacher类的表示上课行为的GiveLesson()成员函数，这是它向外界提供的服务，应该被外界访问，所以这个成员函数应该设置为公有类型。
图6-9 访问级别
2. 保护类型
保护类型的成员用关键字protected修饰，其声明格式跟public类型相同。保护类型的成员在类的外部无法访问，但是可以在类的内部及继承这个类而得的派生类中访问，它主要用于将属性或者方法遗传给它的下一代子类。例如，对于Teacher类的表示姓名属性的m_strName成员变量，谁也不愿意自己的名字被别人修改，所以应该限制外界对它的访问；而显然自己可以修改自己的名字，所以Teacher类内部可以访问这个成员变量；同时，如果Teacher类有派生类，比如表示大学老师的Lecturer，我们也希望这个成员变量可以遗传给派生类，使其派生类也拥有这个成员变量，可以对其进行访问。经过这样的分析，把m_strName成员变量设置为保护类型最为合适。
3. 私有类型
私有类型的成员用关键字private修饰，其声明格式跟public类型相同。私有类型的成员只能在类的内部被访问，所有来自外部的访问都是非法的，这样就把类的成员完全隐藏在类当中，很好地保护了类中数据和行为的安全。所以，赶快把我们的钱包声明为私有成员吧，这样小偷就不会访问到它了。
这里需要说明的是，如果class关键字定义的类当中类成员没有显式地说明它的访问级别，那么默认情况下它就是私有类型，外界是无法访问的，由此可见类其实是非常“自私”的（相反地，由struct定义的类中，默认的访问级别为公有类型）。
我们把前面例子中的Teacher类根据访问控制加以改写，以更加真实地反映现实的情况:
// 进行访问控制后的Teacher类 class Teacher { // 公有类型成员 // 外界通过访问这些成员跟该类进行交互，获得类提供的服务 public: // 冒号后的变量或者函数都受到它的修饰 // 构造函数应该是公有的，这样外界才可以利用构造函数创建该类的对象 Teacher(string strName) : m_strName(strName) { // … } // 老师要为学生们上课，它应该被外界调用，所以这个成员函数是公有类型的 void GiveeLesson() { // 在类的内部，可以访问自身的保护类型和私有类型成员 PrepareLesson(); // 先备课，访问保护类型成员 cout<<"老师上课。"<<endl; m_nWallet += 100; // 一节课100块钱，访问私有类型成员 } // 我们不让别人修改名字，可总得让别人知道我们的名字吧， // 对于只可供外界只读访问的成员变量， // 可以提供一个公有的成员函数供外界对其进行读取访问 string GetName() { return m_strName; } // 保护类型成员 // 不能被外界访问，但是可以被自身访问，也可以遗传给下一级子类， // 供下一级子类访问 protected: // 只有自己备课，子类也需要备课，所以设置为保护类型 void PrepareLesson() { cout<<"老师备课。"<<endl; } // 只有自己可以修改自己的名字，子类也需要这样的属性 string m_strName; private: // 私有类型 int m_nWallet; // 钱包只有自己可以访问，所以设置为私有类型 };
有了访问控制之后，现在再对Teacher类对象的成员进行访问时就需要注意了，我们只能在外界访问其公有成员，如果试图访问其保护类型或者私有类型的成员，就会被毫不留情地拒之门外，吃人家的闭门羹：
int main() { // 创建对象时会调用类的构造函数 // 在Teacher类中，构造函数是公有类型，所以可以直接调用 Teacher MrChen("ChenLiangqiao"); // 外部变量，用于保存从对象获得的数据 string strName; // 通过类的公有类型成员函数，读取获得类中的保护类型的成员变量 strName = MrChen.GetName(); // 错误：无法直接访问类的保护类型和私有类型成员 // 想改我的名字？先要问我答应不答应 MrChen.m_strName = "WangGang"; // 想从我钱包中拿走200块，那更不行了 MrChen.m_nWallet -= 200; return 0; }
在主函数中，我们首先创建一个Teacher类对象，这个创建过程会调用它的构造函数，这就要求构造函数是公有类型。在构造函数中，我们会访问成员变量m_strName，虽然它是保护类型的，但是可以在类自身的构造函数中对其进行修改。另一方面，为了让外界也能够安全地读取该成员变量的值，我们为Teacher类添加了一个公有类型的成员函数GetName()，这样就可以通过它让外界访问类中保护类型的成员获得必要的数据。除此之外，Teacher类还提供了一个公有类型的GiveLesson()函数，外界可以直接调用这个函数获得Teacher类提供的上课服务。而在这个公有类型的成员函数内部，我们还访问了类中的保护类型和私有类型成员。
以上的访问都是合理合法的，但是，如果想在类的外部直接访问保护类型或私有类型的成员，编译器会帮我们检测出这个非法访问，产生一个编译错误提示无法访问保护或私有类型的成员。这样，有编译器帮我们看着，小偷就再也别想动我们的钱包了。
通过对类成员的访问进行控制，起到了很好地保护数据和行为的作用，防止了数据被外界随意修改，同时也限制了外界使用不合理的行为。如果对象的某些成员变量因为业务逻辑的需要允许外界访问（比如这里的m_strName），也建议采用提供公有接口的方法，让外界通过公有接口来访问这些成员变量，而不是直接把这些成员变量设置为公有类型。一般情况下，类的成员变量都应该设置为保护或私有类型。
6.2.7 在友元中访问类的隐藏信息
采用类成员的访问控制机制之后，很好地实现了数据和行为的隐藏，这种隐藏有效地避免了来自外界的非法访问，保护了数据和行为的安全。但是，这种严格的成员访问控制是不问缘由的，任何来自外界的对类中隐藏信息（保护或私有类型成员）的访问都会被拒绝，这样自然也会将一些合理的访问挡在门外，给类成员的访问带来一些麻烦。例如，有时需要定义某个函数，这个函数不是类的一部分，但又需要频繁地访问类的隐藏信息；又或者需要定义某个新的类，因为某种原因，这个类需要访问另外一个类的隐藏信息，就像现实世界中老婆需要访问老公的钱包一样。在这些情况下，我们需要从外界直接访问类的保护或私有类型成员，但却被严格的成员访问控制机制挡在了门外。
凡事都有例外。为了给访问控制机制开个后门，让外界值得信任的函数或者类能够访问某个类的隐藏信息，C++提供了友元机制。它利用“friend”关键字，可以将外界的某个函数或者类声明为类的友元函数或者友元类，两者统称为友元。当成为类的友元后，就可以对类的隐藏信息进行访问了。
1. 友元函数
友元函数实际上是一个定义在类外部的普通函数，它不属于任何类。当使用“friend”关键字在类的定义中加以声明后，这个函数就成为类的友元函数，之后它就可以不受类成员访问控制的限制，直接访问类的隐藏信息。在类中声明友元函数的语法格式如下：
class 类名 { friend 返回值类型 函数名(形式参数列表); // 类的其他声明和定义… };
友元函数的声明跟类的普通成员函数的声明是相同的，只不过在函数声明前加上了friend关键字修饰并且定义在类的外部，并不属于这个类。友元函数的声明不受访问控制的影响，既可以放在类的私有部分，也可以放在类的公有部分，它们是没有区别的。另外，一个函数可以同时是多个类的友元函数，只是需要在各个类中分别声明。
2. 友元类
跟友元函数相似，友元类是定义在某个类之外的另外一个独立的普通类。因为需要访问这个类的隐藏信息，所以利用“friend”关键字将其声明为这个类的友元类，赋予它访问这个类的隐藏信息的能力。成为这个类的友元类之后，友元类的所有成员函数也就相当于成为了这个类的友元函数，自然也就可以访问这个类中的隐藏信息。
在C++中，声明友元类的语法格式如下：
class 类名 { friend class 友元类名; // 类的其他声明和定义 };
友元类的声明跟友元函数的声明类似，这里就不再赘述。唯一需要注意的是这里两个类之间的相互关系，如果我们希望A类能够访问B类的隐藏信息，就在B类中将A类声明为它的友元类。这就表示A类是B类经过认证后的值得信赖的“朋友”，这样A类才可以访问B类的隐藏信息。为了更好地理解友元的作用，还是来看一个实际的例子。假设在之前定义的Teacher类中有一个成员变量m_nSalary记录了老师的工资信息。工资信息当然是个人隐私需要保护了，所以将其访问控制级别设置为保护类型，只有自己和派生的子类可以访问：
class Teacher { // … // 保护类型的工资信息 protected: int m_nSalary; };
将m_nSalary 设置为保护类型，可以很好地保护数据安全。但是，在某些特殊情况下，我们又不得不在外界对其进行访问。比如，税务局（用TaxationDep类表示）要来查老师的工资收入，他当然应该有权力也有必要访问Teacher类中m_nSalary这个保护类型的成员；又或者学校想用AdjustSalary()函数给老师调整工资，老师自然乐意它来访问m_nSalary这个保护类型的成员。在这种情况下，我们就需要把TaxationDep类和AdjustSalary()函数声明为Teacher类的友元，让它们可以访问Teacher类的隐藏信息：
// 拥有友元的Teacher类 class Teacher { // 声明TaxationDep类为友元类 friend class TaxationDep; // 声明AdjustSalary()函数为友元函数 friend int AdjustSalary(Teacher* teacher); // 其他类的定义… protected: int m_nSalary; // 保护类型的成员 }; // 在类的外部定义的友元函数 int AdjustSalary(Teacher* teacher) { // 在Teacher类的友元函数中访问它的保护类型的成员m_nSalary if( teacher != nullptr && teacher->m_nSalary < 1000) { teacher->m_nSalary += 500; // 涨工资 return teacher->m_nSalary; } return 0; } // 友元类 class TaxationDep { // 类的其他定义… public: void CheckSalary( Teacher* teacher ) { // 在Teacher类的友元类中访问它的保护类型成员m_nSalary if(teacher != nullptr && teacher->m_nSalary > 1000) { cout<<"这位老师应该交税"<<endl; } } };
可以看到，当Teacher类利用“friend”关键字将AdjustSalary()函数和TaxationDep类声明为它的友元之后，在友元中就可以直接访问它的保护类型的成员m_nSalary，这就相当于为友元打开了一个后门，使其可以翻过访问控制这道保护墙而直接访问到类的隐藏信息。
友元虽然能给我们带来一定的便利，但是“开后门”毕竟不是一件多么正大光明的事情，在使用友元的时候，还应该注意以下几点：
l 友元关系不能被继承。这一点很好理解，我们跟某个类是朋友（即是某个类的友元类），并不表示我们跟这个类的儿子（派生类）同样是朋友。
l 友元关系是单向的，不具有交换性。比如，TaxationDep类是Teacher类的友元类，税务官员可以检查老师的工资，但这并不表示Teacher类也是TaxationDep类的友元类，老师也可以检查税务官员的工资。
l 将某个函数或者类声明为友元，即意味着对方是经过审核认证的，是值得信赖的，所以才授权给它访问自己的隐藏信息。这也提示我们在将函数或类声明为友元之前，有必要对其进行一定的审核。只有值得信赖的函数和类才能将其声明为友元。
友元的使用并没有破坏封装
在友元函数或者友元类中，我们可以直接访问类的保护或私有类型的成员，这个“后门”打开后，很多人担心这样会让类的隐藏信息暴露出来，破坏类的封装。但事实是，合理地使用友元，不仅不会破坏封装，反而会增强封装。
在面向对象的设计中，我们强调的是“高内聚、低耦合”的设计原则。当一个类的不同成员变量拥有两个不同的生命周期时，为了保持类的“高内聚”，我们经常需要将这些不同生命周期的成员变量分割成两部分，也就是将一个类分割成两个类。在这种情况下，被分割的两部分通常需要直接存取彼此的数据。实现这种情况的最安全途径就是使这两个类成为彼此的友元。但是，一些“高手”想当然地认为友元破坏了类的封装，转而通过提供公有的 get()和set()成员函数使两部分可以互相访问数据。实际上，他们不知道这样的做法正是破坏了封装。在大多数情况下，这些 get()和set()成员函数和公有数据一样差劲：它们仅仅隐藏了私有数据的名称，而没有隐藏对私有数据的访问。
友元的使用，只是向必要的客户公开类的隐藏数据，比如Teacher类只是向TaxationDep类公开它的隐藏数据，只是让税务官可以知道它的工资是多少。这要远比使用公有的get()/set()成员函数，而让全世界都可以知道它的工资要安全隐蔽的多。