派生类无法访问基类protected成员的原因及友元相关困惑

代码示例 #

#include <string>
#include <vector>
using namespace std;

class Message {
protected:
    virtual string json() const = 0;
};

class _messageChain_ final: public Message {
public:
    string json() const override;
private:
    vector<Message *>messages;
};

string _messageChain_::json() const
{
    string json;
    for ( Message *msg : messages )
        json += msg->json();
    return json;
}

int main ( void )
{

}

编译错误 #

main.cpp: In member function ‘virtual std::string _messageChain_::json() const’:
main.cpp:21:21: error: ‘virtual std::string Message::json() const’ is protected within this context
   21 |   json += msg->json();
      |                     ^
main.cpp:7:17: note: declared protected here
    7 |  virtual string json() const = 0;

我的困惑 #

原本认为protected修饰符会让派生类_messageChain_在其json()成员函数中能够访问基类Message的json()成员，但实际并非如此。将_messageChain_设为Message的友元类，或者将json()改为public修饰时代码可以正常编译；但仅将_messageChain_的json()函数设为Message的友元时无法解决问题。想了解其中的原因。

1. 派生类访问protected成员的规则限制 #

你对protected成员的访问逻辑理解有误。C++中，派生类确实能访问基类的protected成员，但仅限访问当前派生类对象自身的基类部分——简单说，你可以在_messageChain_的成员函数里直接调用this->json()（这是访问自己的基类部分），但不能通过基类指针/引用去访问其他独立对象（哪怕这个对象实际是派生类实例）的基类protected成员。

在你的代码里，msg是Message*类型，编译器仅根据静态类型（Message*）判断权限：它认为你在尝试访问一个基类对象的protected成员，而派生类没有权限这么做，因此抛出编译错误。哪怕msg实际指向的是_messageChain_对象，编译器也不会因为动态类型而放宽权限判断。

2. 友元类能解决问题的原因 #

当你把_messageChain_声明为Message的友元类后，_messageChain_的所有成员函数都获得了访问Message类任意对象的protected/private成员的权限。此时不管msg是基类指针还是派生类指针，调用msg->json()都符合权限规则，自然能编译通过。

3. 单独将_messageChain_::json()设为友元无效的原因 #

几乎可以肯定是你友元声明的语法不正确，导致友元关系未生效。正确的友元函数声明需要满足两个条件：

• 提前声明_messageChain_类：在Message类定义前，必须先添加class _messageChain_;，告诉编译器该类的存在。
• 友元函数签名完全匹配：在Message类的定义中，友元声明要写成friend string _messageChain_::json() const;，返回值、函数名、const修饰符一个都不能错。

如果你的声明没满足这两点，编译器会无法识别这个友元关系，依然会抛出权限错误。假设你正确完成了声明，这个友元函数是有权限调用msg->json()的。

额外思路 #

如果你的messages容器中只会存储_messageChain_类型的对象，也可以考虑将msg安全转型为_messageChain_*，这样调用json()时，编译器会认为你在访问派生类自身的成员（虽然它重写了基类的方法），权限上是允许的：

// 在_messageChain_::json()中修改循环部分
for ( auto msg : messages )
    json += static_cast<_messageChain_*>(msg)->json();

不过这种方式需要确保转型的安全性（比如用dynamic_cast做检查），且不如调整访问权限或使用友元优雅。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者sixsixqaq