C++启蒙课程：第15章友元、异常和其他

我们将掌握C++的高阶生存技能：`friend` 高级协作、`try-catch` 紧急警报系统，以及 `RTTI` 身份扫描仪！

🎟️

高级协作：友元与嵌套

学习“VIP信使”`friend class`和“套房设计”`nested class`。

🚨

应急响应系统：异常

掌握 `try-throw-catch` 紧急警报，和“自动清理机器人”栈解退。

🕵️

身份侦查与转换

使用 `dynamic_cast` 和 `typeid` 运行时“侦探扫描仪”来识别对象。

课时一：高级协作：共同友元与嵌套类

（覆盖知识点 15.1.4, 15.2）

15.1.4 “VIP信使” (友元类)

`friend class` 就像给 `Guest` 团队颁发了VIP通行证，允许 `Guest` 的所有成员访问 `Host` 的 `private` 私人数据区。

Host (Private)

"Treasure Map"

Guest (Public)

class Host {
private:
    string secret = "Map";
public:
    // 15.1.4 授予 Guest 团队 VIP 通行证
    friend class Guest; 
};
class Guest {
public:
    void read(const Host& h) {
        // OK! Guest 是友元
        cout << h.secret; 
    }
};
                    

15.2 “类的套房” (嵌套类)

嵌套类就像一个“秘密小房间”，定义在外部类内部。它的作用域被限制在外部类，外界无法直接访问。

class Outer

class Inner (private)

class Outer {
private:
    // 15.2 嵌套类, 作用域在 Outer 内
    class Inner {
        public: int x;
    };
public:
    void func() {
        Inner i; // OK! Outer 可以访问
        i.x = 10;
    }
};
// main() {
//    Inner i; // 错误！'Inner' is private
// }
                    

课时二：程序应急响应系统：异常

（覆盖知识点 15.3）

15.3.3 “紧急警报” (try-catch)

`try` 是“安全监控区”。如果内部发生 `throw`（抛出警报 🚨），程序会立即跳到 `catch`（安全网）进行处理。

Try Block (监控区)

🚨

Catch Block (安全网)

try {
    if (size < 0) {
        // 1. 抛出警报
        throw "Error: Negative size!"; 
    }
    // ... 正常代码 ...
} 
catch (const char* msg) { // 2. 捕获警报
    cout << msg;
}
                    

15.3.6 “自动清理机器人”

当 `throw` 发生时，程序会“栈解退”：沿着函数调用链回退，并自动调用析构函数，清理所有局部对象（自动清理）。

main()

func_A()

func_B()

void func_B() { throw "Error!"; }
void func_A() { 
    MyObject obj_A; // 占内存
    func_B(); 
    // ~MyObject() 会被自动调用
}
int main() {
    try { func_A(); }
    catch(...) { ... }
}
                    

课时三：身份侦查与强制转换安全

（覆盖知识点 15.4, 15.5）

15.4 “身份侦查扫描仪” (RTTI)

RTTI (运行时类型识别) 允许你在运行时检查一个基类指针的“真实身份”。dynamic_cast 是安全扫描仪：如果身份不符，它返回 `nullptr`。

Base* ptr = ?

...

// Base 必须有虚函数才能用 RTTI
class Base { virtual void f(){} };
class Derived : public Base {};

void check(Base* b_ptr) {
    // 15.4.2 安全的向下转换
    Derived* d_ptr = 
        dynamic_cast(b_ptr);
    
    if (d_ptr) { // 转换成功
        cout << "It's a Derived!";
    } else { // 转换失败
        cout << "It's just a Base.";
    }
}
                    

15.5 “安全验证门” (Casts)

C++ 提供了更安全的“验证门” (如 `static_cast`, `dynamic_cast`) 来替代 C 语言的“万能钥匙” (Type) 强制转换。

C-Style (危险): (int) 3.14

C++ (安全): static_cast(3.14)

C++ (运行时安全): dynamic_cast

// C-Style (不推荐)
int i = (int) my_double;
Hero* h = (Hero*) my_base_ptr; // 危险！

// 15.5 C++ 风格 (推荐)
// 编译时转换
int i = static_cast(my_double); 

// 运行时安全转换 (RTTI)
Hero* h = dynamic_cast(my_base_ptr); 
                    

编程实践与作业

是时候检验你作为“高级生存专家”的实力了！

练习 1：友元类 (15.1.4)

任务：

设计 Host 和 Guest 类。让 Guest 成为 Host 的友元类，并演示 Guest 的成员函数如何访问 Host 的私有数据。

点击查看参考答案

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

class Host {
private:
    string secret_data = "Private Treasure Map";
public:
    // 15.1.4 声明 Guest 为友元类
    friend class Guest; 
};

class Guest {
public:
    void read_host_secret(const Host & h) const {
        // Guest 是友元, 可以访问私有成员
        cout << "Guest 访问到: " << h.secret_data << endl;
    }
};
                            

练习 2：异常处理 (15.3.3)

任务：

编写一个程序，要求用户输入一个正数作为数组大小。如果用户输入负数，则抛出 int 类型异常。使用 `try-catch` 块捕获并处理该异常。

点击查看参考答案

#include <iostream>
using namespace std;

void check_size(int size) {
    if (size < 0) {
        // 15.3.3 抛出异常
        throw size; 
    }
    cout << "数组大小有效: " << size << endl;
}

int main() {
    int n;
    cout << "请输入数组大小: ";
    cin >> n;

    try { 
        check_size(n);
    }
    catch (int bad_size) { // 捕获 int 异常
        cout << "捕获到异常！大小 " << bad_size << " 无效。" << endl;
    }
    cout << "程序运行结束。" << endl; 
    return 0;
}
                            

练习 3：RTTI 身份侦查 (15.4.2)

任务：

编写 Base 类和 Derived 类 (确保有虚函数)。使用 dynamic_cast 尝试将 Base* 转换为 Derived*，以判断指针的真实类型。

点击查看参考答案

#include <iostream>
#include <typeinfo> 
using namespace std;

class Base { virtual void dummy() {} }; // 必须有虚函数
class Derived : public Base {};

void check_type(Base * b_ptr) {
    // 15.4.2 使用 dynamic_cast
    Derived * d_ptr = dynamic_cast(b_ptr); 

    if (d_ptr) { // 转换成功
        cout << "扫描成功！对象是 Derived 类型。" << endl;
    } else { // 转换失败
        cout << "扫描失败。对象不是 Derived 类型。" << endl;
    }
}

int main() {
    Derived d_obj;
    Base b_obj;
    check_type(&d_obj); // 成功
    check_type(&b_obj); // 失败
    return 0;
}
                            

练习 4：自定义异常类 (15.7 复习题 5)

任务：

假设 Exc 是一个继承自 std::exception 的异常类。编写一个函数 goes_wrong() 抛出该异常，并在 `main` 中捕获它。

点击查看参考答案

#include <iostream>
#include <exception> // 15.3.8 异常基类
using namespace std;

// 15.3.9 自定义派生异常类
class Exc : public exception {
public:
    const char* what() const noexcept override {
        return "Custom Exc: Something went wrong!";
    }
};

void goes_wrong() {
    throw Exc(); // 15.3.4 抛出对象
}

int main() {
    try {
        goes_wrong();
    }
    // 15.3.9 捕获基类引用
    catch (const exception & e) { 
        cout << "捕获到异常！信息: " << e.what() << endl;
    }
    return 0;
}
                            

本章知识点总结与复习

核心概念	解释/功能	关键用法/运算符
友元类	授予一个类访问另一个类私有数据的权限。	friend class ClassB;
嵌套类	在一个类内部定义的类，作用域被限制在外部类。	class Outer { class Inner {}; };
异常 (Exception)	C++的错误处理机制。	try, throw, catch
异常对象	可抛出类对象（如 `exception` 派生类）以传递错误信息。	throw MyError();
栈解退	抛出异常时，自动释放栈内存并调用析构函数。	(自动发生)
RTTI	运行阶段类型识别，在运行时确定对象类型。	dynamic_cast, typeid
`dynamic_cast`	安全的向下转换。如果失败，返回 `nullptr` (指针)。	dynamic_cast(b_ptr)
`static_cast`	C++ 风格的编译时类型转换。	static_cast(my_double)

C++启蒙课程：第15章 友元、异常和其他

高级协作：友元与嵌套

应急响应系统：异常

身份侦查与转换

课时一：高级协作：共同友元与嵌套类

15.1.4 “VIP信使” (友元类)

15.2 “类的套房” (嵌套类)

课时二：程序应急响应系统：异常

15.3.3 “紧急警报” (try-catch)

15.3.6 “自动清理机器人”

课时三：身份侦查与强制转换安全

15.4 “身份侦查扫描仪” (RTTI)

15.5 “安全验证门” (Casts)

编程实践与作业

本章知识点总结与复习

C++启蒙课程：第15章友元、异常和其他