13. 封装与访问控制——编程世界的数据“守护者”
13.1 封装的概念
封装是面向对象编程的三大特性之一，它就像是一个坚固的“盒子”，将数据（属性）和操作这些数据的函数（方法）捆绑在一起，形成一个独立的单元，也就是类。封装的主要目的是隐藏对象的内部实现细节，只向外部提供必要的接口，这样可以提高代码的安全性和可维护性。
例如，在一个银行账户系统中，账户的余额是一个重要的数据，我们不希望外部代码直接修改这个余额，而是通过特定的方法（如存款、取款）来操作它。这就是封装的体现，将账户余额这个数据封装在账户类中，只提供安全的操作接口给外部使用。
13.2 访问控制的重要性
访问控制是实现封装的重要手段，它通过访问修饰符来限制对类的成员（数据成员和成员函数）的访问权限。合理的访问控制可以防止外部代码意外或恶意地修改类的内部数据，保证数据的完整性和安全性。同时，也有助于将类的接口和实现分离，使得类的使用者只需要关注类提供的接口，而不需要了解类的内部实现细节。
13.3 C++ 中的访问修饰符
在 C++ 中，有三种主要的访问修饰符：public、private 和 protected。
13.3.1 public（公有）
公有成员可以在类的外部直接访问。通常，类的接口（成员函数）会被声明为公有，以便外部代码可以调用这些函数来与对象进行交互。
#include <iostream>
using namespace std;
class Rectangle {
public:
// 公有数据成员
double length;
double width;
// 公有成员函数
double getArea() {
return length * width;
}
};
int main() {
Rectangle rect;
// 直接访问公有数据成员
rect.length = 5.0;
rect.width = 3.0;
// 调用公有成员函数
cout << "矩形的面积是: " << rect.getArea() << endl;
return 0;
}
在这个示例中，length、width 和 getArea 都是公有成员，在 main 函数中可以直接访问和调用。
13.3.2 private（私有）
私有成员只能在类的内部访问，外部代码无法直接访问。通常，类的数据成员会被声明为私有，通过公有成员函数来间接访问和修改这些数据成员，以保证数据的安全性。
#include <iostream>
using namespace std;
class Rectangle {
private:
// 私有数据成员
double length;
double width;
public:
// 公有成员函数，用于设置长度
void setLength(double len) {
if (len > 0) {
length = len;
} else {
cout << "长度必须为正数！" << endl;
}
}
// 公有成员函数，用于设置宽度
void setWidth(double wid) {
if (wid > 0) {
width = wid;
} else {
cout << "宽度必须为正数！" << endl;
}
}
// 公有成员函数，用于计算面积
double getArea() {
return length * width;
}
};
int main() {
Rectangle rect;
// 通过公有成员函数设置长度和宽度
rect.setLength(5.0);
rect.setWidth(3.0);
// 调用公有成员函数计算并输出面积
cout << "矩形的面积是: " << rect.getArea() << endl;
return 0;
}
在这个示例中，length 和 width 是私有数据成员，main 函数无法直接访问它们，只能通过 setLength 和 setWidth 这两个公有成员函数来间接设置它们的值。
13.3.3 protected（受保护）
受保护成员在类的内部和派生类（子类）中可以访问，在类的外部不能直接访问。受保护成员主要用于在继承关系中，让派生类可以访问基类的某些成员。
#include <iostream>
using namespace std;
// 基类
class Shape {
protected:
// 受保护数据成员
double area;
public:
// 公有成员函数，用于计算面积（这里只是示例，没有具体实现）
virtual void calculateArea() = 0;
// 公有成员函数，用于输出面积
void displayArea() {
cout << "面积是: " << area << endl;
}
};
// 派生类
class Rectangle : public Shape {
private:
double length;
double width;
public:
Rectangle(double len, double wid) : length(len), width(wid) {}
// 实现基类的纯虚函数
void calculateArea() override {
area = length * width;
}
};
int main() {
Rectangle rect(5.0, 3.0);
rect.calculateArea();
rect.displayArea();
return 0;
}
在这个示例中，area 是 Shape 类的受保护数据成员，Rectangle 类作为 Shape 类的派生类，可以访问 area 成员并对其进行赋值操作。
13.4 封装与访问控制的优点
- 数据安全性：通过将数据成员声明为私有，外部代码无法直接访问和修改这些数据，只能通过类提供的公有成员函数进行操作，从而避免了数据被非法修改的风险。
- 代码可维护性：封装使得类的内部实现细节被隐藏起来，当类的内部实现发生变化时，只要类的接口不变，外部代码就不需要进行修改，降低了代码的耦合度，提高了代码的可维护性。
- 代码复用性：封装后的类可以作为一个独立的单元被复用，其他代码可以通过类提供的接口来使用这个类，而不需要关心类的内部实现细节。
13.5 课后小练习
- 定义一个表示银行账户的类
BankAccount，包含私有数据成员accountNumber（账号）、balance（余额），公有成员函数deposit（存款）、withdraw（取款）、getBalance（获取余额），通过访问控制保证账户余额的安全性。 - 定义一个表示图书的类
Book，包含私有数据成员title（书名）、author（作者）、price（价格），公有成员函数setTitle、setAuthor、setPrice用于设置相应的信息，displayInfo用于输出图书的信息，通过封装和访问控制实现数据的安全管理。
通过这部分的学习，你了解了封装和访问控制的概念、C++ 中的访问修饰符以及它们的优点。封装和访问控制是面向对象编程中非常重要的特性，能够帮助你编写出更加安全、可维护和可复用的代码。