C++：为什么必须声明私有函数？

Question

C++：为什么必须声明私有函数？

c++classfunctionprivatedeclaration

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C++中的类为什么必须声明它们的私有函数？这背后是否有实际的技术原因（在编译时起到了什么作用），或者仅仅是出于一致性考虑？

- Ancurio

你是在问函数本身为什么要被声明，还是在问为什么必须为这些函数加上 private？ - GManNickG

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@GManNickG 第一个问题。我只是不知道为什么其他类，包括我的头文件，都必须知道它的私有函数。 - Ancurio

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private 和 virtual 是正交的概念。函数被声明为 private 并不意味着它不是 virtual（事实上，有一个整个习惯用语围绕着仅有 private virtual 和 public 非虚拟成员函数），因此，是的，其存在会影响虚表。 - David Rodríguez - dribeas

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@DavidRodríguez-dribeas 很好的观点。我实际上不知道虚拟私有函数可以在子类中被覆盖，并且其基类调用新版本而不暴露可调用性（这甚至是一个词吗？） - Ancurio

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@Ancurio：你想要的词是“可访问性”。 - GManNickG

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7个回答

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你必须在类的定义中声明所有成员，这样编译器才知道哪些函数被允许成为成员。否则，另一个程序员可能会(无意地?)添加成员，犯错误并违反对象的保证，导致未定义的行为和/或随机崩溃。

- Mooing Duck

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我认为你刚刚描述了Python中的类 =) - JoeFish

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有几个问题需要考虑：

C ++不允许在初始定义之后重新打开类以声明其中的新成员。
C ++不允许在组成程序的不同翻译单元中具有不同的类定义。

因此：

.cpp文件想要声明为类的任何私有成员函数都需要在.h文件中定义，每个使用该类的用户也会看到。

从实际的二进制兼容性角度来看：如David在评论中所说，私有的virtual函数会影响这个类及使用它作为基类的任何类的vtable的大小和布局。因此，即使编译无法调用它们的代码，编译器仍需了解它们。

C ++可以被发明成另一种方式来允许.cpp文件重新打开类并添加某些特定类型的额外成员函数，并要求实现安排以确保这不会破坏二进制兼容性吗？可以放宽一次定义规则，允许在某些方面不同的定义吗？例如，静态成员函数和非虚非静态成员函数。

可能两者都可以。我认为没有任何技术障碍，尽管当前的ODR非常严格，关于什么使定义“不同”（因此对于允许非常相似的定义之间的二进制不兼容性，实现非常慷慨）。我认为介绍这种例外规则的文本会很复杂。

最终可能取决于“设计者想要那样”，也可能是某人尝试过并遇到了我没有想到的障碍。

- Steve Jessop

当前的模块提案已经针对隐私问题提供了解决方案，因为它们增加了另一个“层”或“房间”的可见性：类本身、模块、以及“外部代码”。private将不会泄露到模块定义之外，编译器仍然可以知道所有内容。 - Xeo

“C++不允许在类的初始定义后重新打开该类以声明新成员。”这是不正确的：14.7.3 显式特化 [temp.expl.spec] “以下任何一个的显式特化：（...）-类或类模板的成员类模板-类或类模板的成员函数模板可以通过声明来声明（...）”“显式特化应在封闭专用模板的命名空间中声明。” - curiousguy

@curiousguy：不太确定你的意思。我认为成员模板的特化不是一个“新成员”，因为模板本身就是成员。我可能错了。如果我错了，那么模板显然是我所说的例外情况，因为除了在类外特化成员模板之外，你当然也可以在类外实例化成员模板。在任何情况下，我都认为类没有被“重新打开”，我认为这对提问者没有帮助。 - Steve Jessop

你可以将其视为“无限成员的‘潜在’声明”，但正如我上面所说，我认为这样做是不正确的。我相信只有一个成员，那就是模板本身。向函数模板添加特化版本永远不会影响模板是否被查找规则选中，它只会影响实例化的生成方式。这就是为什么通常应该重载函数模板而不是对其进行特化的原因，尽管在类成员的情况下，一旦定义了类，您就没有选择了，因为它不能重新打开以添加重载。 - Steve Jessop

无论如何，我们正在争论短语“重新打开类以添加新成员”的正确定义，这与问题无关。根据我在这些评论中定义的短语含义（将成员模板特化不是“重新打开以添加新成员”），我在答案中所说的是正确的。根据您对该短语的定义，该语句是错误的，但可以通过添加额外的模棱两可来使其变为真实。无论哪种方式，问题的答案都是：“因为如果您在类定义中省略了私有成员，则没有机制可以稍后添加它们”。 - Steve Jessop

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访问级别并不影响可见性。私有函数对外部代码可见，并且可能会被重载解析所选中（这将导致访问冲突错误）：

class A {
    void F(int i) {}
public:
    void F(unsigned i) {}
};

int main() {
    A a;
    a.F(1); // error, void A::F(int) is private
}

想象一下当这个工作时会有多么混乱:

class A {
public:
    void F(unsigned i) {}
};

int main() {
    A a;
    a.F(1);
}

// add private F overload to A
void A::F(int i) {}

但是将其更改为第一个代码会导致重载决议选择不同的函数。那么下面的例子呢？

class A {
public:
    void F(unsigned i) {}
};

// add private F overload to A
void A::F(int i) {}

int main() {
    A a;
    a.F(1);
}

这里有另一个相关问题的例子：

// A.h
class A {
public:
    void g() { f(1); }
    void f(unsigned);
};

// A_private_interface.h
class A;
void A::f(int);

// A.cpp
#include "A_private_interface.h"
#include "A.h"

void A::f(int) {}
void A::f(unsigned) {}

// main.cpp
#include "A.h"

int main() {
    A().g();
}

- bames53

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嗯，这似乎只是指出重载规则需要改变。 - GManNickG

@GManNickG 要考虑可见性并且不选择不可访问的方法？C++对其工作方式有充分的理由。例如：https://dev59.com/ZUbRa4cB1Zd3GeqP4eCK - bames53

我认为重载规则不需要考虑可访问性。它们可能只需要定义为仅考虑在使用点之前声明的成员函数-因此，如果您的私有成员函数在类定义中，则会停止客户端代码中的a.F(1)编译，如果它仅在A.cpp中添加，则不会影响客户端代码，但会影响.cpp文件。这已经是命名空间的工作方式（如果添加更多重载，它们可能会被选中）。需要一些复杂性，例如双相查找会发生什么。 - Steve Jessop

@SteveJessop 当然可以这样做，但我觉得这将是一个相当重大的变化。例如，目前类成员的作用域是整个类，即使在声明类成员之前也是如此。我认为不必要增加这种复杂性，因为它只解决了C ++编译模型的一个特殊情况，并且已经有解决这个特殊情况的变通方法。 - bames53

在C++11中，可以使用= delete语法显式删除重载。 - balki

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一个原因是在C++中，友元可以访问你的私有成员。为了让友元能够访问它们，友元必须知道它们的存在。

- Rob K

@Neal：嗯...那就是“友元”的该死目的。 - Xeo

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类的私有成员仍然是类的成员，因此必须声明它们，因为其他公共成员的实现可能依赖于该私有方法。声明它们将允许编译器将对该函数的调用理解为成员函数调用。

如果您有一个仅在 .cpp 文件中使用且不依赖于类的其他私有成员的直接访问的方法，请考虑将其移动到匿名命名空间中。然后，它不需要在头文件中声明。

- Prashant Kumar

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是的，但是为什么规范要求它们必须被声明呢？你没有回答这个问题。已经有规则说在调用之前必须声明函数，所以不是这个原因。（命名空间的提示倒是一个好主意） - Mooing Duck

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有几个原因说明为什么必须声明私有函数。

第一个编译时错误检查

访问修饰符的目的是在编译时捕获某些类（没有双关语）的编程错误。私有函数是指，如果有人从类外部调用它们，那将是一个错误，您希望尽早了解这一点。

第二个强制转换和继承

来自C++标准：

3 [注意：私有基类的成员可能作为继承的成员名称不可访问，但可以直接访问。由于指针转换（4.10）和显式转换（5.4）的规则，从派生类的指针到不可访问的基类的指针的转换可能是非法的，如果使用隐式转换，则使用显式转换是合法的。

第三个友元

朋友们互相展示他们的私人部位。另一个类可以通过友元调用私有方法。

第四个普遍的理智和良好的设计

曾经与其他100名开发人员一起工作过吗？拥有标准和一般规则集有助于维护可维护性。对于组内的每个人来说，声明某些内容为私有具有特定的含义。

这也涉及到良好的面向对象设计原则。什么需要暴露，什么不需要。

- nate_weldon

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这不是Ancurio想要知道的。他想知道为什么我们不能一开始就将私有函数保持为“秘密”。如果你不知道一个函数，就不能调用它。 - Nordic Mainframe

编译器需要知道它是私有的，这样当其他人尝试调用它时，它可以发出编译时警告...没有什么是真正的秘密。 - nate_weldon

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@nate_weldon 这是真的，但如果私有非虚函数没有在公共头文件（因此也没有文档）中声明，那么就不会有人尝试调用它。除了我自己...在这种情况下，那个警告（实际上不是错误吗？）确实有意义。 - Ancurio

接受朋友请求是可以的，因为朋友会互相展示他们的私人信息。 - nate_weldon

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从标准3中可以看出：私有基类的成员可能作为继承成员名称而无法访问，但可以直接访问。由于指针转换（4.10）和显式转换（5.4）的规则，如果使用隐式转换，则从派生类指针到不可访问的基类指针的转换可能是不合法的，但如果使用显式转换，则是合法的。 - nate_weldon

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可以查看英文原文，
原文链接

- Shahbaz · Accepted Answer

我问为什么私有函数需要声明，因为它们对其他翻译单元没有贡献（既不增加对象大小也不增加虚表项）。如果您考虑一下，这类似于在文件中将某些函数声明为 static。从外部看不到，但对编译器本身很重要。编译器希望在使用函数之前知道其签名。这就是为什么首先要声明函数的原因。请记住，C++ 编译器是一次通过，这意味着必须在使用之前声明所有内容。

从程序员的角度来看，声明私有函数仍然不完全没有用处。想象一下，有 2 个类，其中一个是另一个类的 friend。被友好的那个类需要知道这个类的私有成员是什么样子的，否则它们无法使用它。

至于为什么 C++ 是以这种方式设计的，我首先会说有历史原因：无法在 C 中对结构体进行切片，因此采用了 C++，使您无法切片类（并被其他从 C++ 分支出的语言采用）。我也猜测这是关于简单性的问题：想象一下，在哪里可以制定一种编译方法，您可以将类分解为不同的头文件，让源文件知道它，而又可以防止其他人向您的类添加内容。

最后需要注意的是，private 函数如果是 virtual 的，则可能会影响虚表大小。