Chapter 15：Friends, Exceptions, and More

为什么访问授权、错误传播和类型探测都需要窄边界

friend、exception 与 RTTI 看似是三个附加主题，实际都在跨越普通局部边界：friend 跨 private 访问，throw 跨调用帧返回，dynamic_cast 跨静态类型查看动态类型。越界能力越强，越要限制授予对象、传播范围和失败语义。

friend class 适合紧密但明确的协作

友元类（friend class）让被指定类的所有成员访问授权类的 private/protected 数据。友元关系不对称、不传递、不继承：A 把 B 设为 friend，不代表 A 能访问 B，也不代表 B 的派生类自动获得权限。

class Storage;
 
class Inspector {
public:
    bool verify(const Storage&) const;
};
 
class Storage {
    friend class Inspector;
public:
    explicit Storage(int checksum) : checksum_{checksum} {}
private:
    int checksum_;
};

若 Inspector 只有 verify() 需要访问，授权整个类过宽。friend declaration 还涉及声明顺序：编译器必须先知道 Inspector/其成员的声明，才能精确授予。

friend member 把权限缩到一个成员函数

友元成员（friend member）只授权另一个类的指定成员。它减少意外依赖，但需要安排前置声明、类定义和成员定义顺序，让双方类型在使用点完整或已声明。

class Storage;
 
class Inspector {
public:
    bool verify(const Storage&) const;
};
 
class Storage {
    friend bool Inspector::verify(const Storage&) const;
private:
    int checksum_{0};
};

更窄的授权仍不能替代领域接口设计。若多类不断需要读 checksum，应考虑稳定 public observation 或重新划分 owner，而不是继续添加 friend。

nested class 隐藏辅助类型名字，不自动绑定外层对象

嵌套类（nested class）声明在另一个类的 scope 中，适合隐藏 Node 等实现类型。它是独立类型，不像某些语言的 inner object 那样自动携带 enclosing object 的 this；要访问某个外层实例仍需显式 pointer/reference。

class Queue {
private:
    struct Node {
        int value;
        Node* next;
    };
 
    Node* front_{nullptr};
};

外部调用者不需要知道 Node，Queue 实现却能用完整类型表达链表。嵌套只改变名字与访问，不改变 Node 对象的分配、复制或销毁责任。

exception 把错误结果沿调用链传播

异常（exception）适合当前函数无法按正常契约完成、且错误需要跨多个调用层传播的情况。throw 创建异常对象并寻找匹配 handler；try 标出受保护语句；catch 按类型处理。领域错误类型应携带诊断所需上下文，而不是只抛字符串。

#include <stdexcept>
#include <string>
 
class ParseError : public std::runtime_error {
public:
    ParseError(std::size_t line, std::string message)
        : std::runtime_error{std::move(message)}, line_{line} {}
    std::size_t line() const noexcept { return line_; }
private:
    std::size_t line_;
};
 
int parseCount(std::string_view token, std::size_t line) {
    if (token.empty()) throw ParseError{line, "missing count"};
    // validate and convert
    return 0;
}

异常类型按 public inheritance 形成分类；先 catch 具体派生，后 catch 基类，否则宽 handler 会遮蔽窄 handler。通常以 const& 捕获，避免切片与复制。

stack unwinding 依赖 RAII 完成清理

抛出后，运行时逐帧查找 handler，并销毁离开 scope 的已完成 automatic objects，这叫栈展开（stack unwinding）。析构函数必须可靠，因此资源应在取得后立即交给 RAII owner。

void load(const std::filesystem::path& path) {
    std::ifstream input{path};
    if (!input) throw std::runtime_error{"cannot open input"};
 
    std::vector<Record> records;
    parse(input, records);  // if this throws, input/vector clean themselves
}

若用裸 new、文件句柄或锁且尚未交给对象，栈展开不会猜测如何释放。RAII 让正常 return 和 throw 共用析构路径。

handler 是策略边界，不是每层都要捕获

能修复、翻译语义、补充上下文或记录后终止的一层才 catch。无策略的中间层应让异常继续传播。裸 throw; 保留当前异常动态类型重抛；throw e; 可能复制/切片。

try {
    load(configPath);
} catch (const ParseError& error) {
    std::cerr << "line " << error.line() << ": " << error.what() << '\n';
    throw;  // preserve dynamic exception object
} catch (const std::exception& error) {
    std::cerr << "load failed: " << error.what() << '\n';
}

没有匹配 handler 时程序调用 std::terminate；违反 noexcept 也会 terminate。内存分配失败通常抛 std::bad_alloc，不要以空指针检查普通 throwing new。

RTTI 在多态层次中检查动态类型

运行时类型识别（runtime type identification, RTTI）主要由 dynamic_cast 和 typeid 提供。对 pointer 的失败 dynamic_cast 返回 nullptr；对 reference 的失败转换抛 std::bad_cast；源基类通常必须是 polymorphic（至少一个 virtual member）。

void inspect(Shape& shape) {
    if (auto* circle = dynamic_cast<Circle*>(&shape)) {
        std::cout << circle->radius();
    } else {
        shape.draw(std::cout);
    }
}

频繁测试每个派生类型再分支，通常应把行为移入 virtual function。RTTI 适合插件边界、可选能力或无法修改基类接口的兼容层，而不是取代多态。

先预测 pointer/reference 成功和失败、非多态源四种结果，再切换实验面板核对；同时记录是否存在更好的 virtual protocol。

type cast operators 对应不同证明责任

C++ type cast operators 不应互换使用：dynamic_cast 验证多态关系；static_cast 执行编译期允许的显式转换但不检查向下转换动态类型；const_cast 只改变 cv 限定，写入原本 const 对象仍未定义；reinterpret_cast 重新解释低层表示，要求严格平台/别名/对齐证据。

Shape* base = getShape();
Circle* checked = dynamic_cast<Circle*>(base);
 
double ratio = static_cast<double>(count) / total;

C-style cast 会尝试多类转换并隐藏意图，审计困难。每次 cast 都应回答源/目标类型、可能损失、运行时检查、对齐/生命周期和失败处理。

三步审计跨边界能力

小结

• friend classes and members 是具名、单向、非传递授权；nested class 不自动绑定外层对象
• exceptions 让错误跨帧传播，stack unwinding 只可靠清理已交给 RAII 的资源
• catch 应位于有恢复/翻译策略的边界，并按派生到基类顺序以 const reference 捕获
• RTTI 支持多态动态类型查询；dynamic_cast 指针失败为空、引用失败抛 bad_cast
• type cast operators 各有不同证明责任；频繁向下转换应反查基类 virtual protocol

名词解释