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C++ 類別資料成員的安全隱憂：保護機制竟能被輕易繞過？

編輯：關於C++

在所有關於 C++ 程式設計的經典教材中，都會詳細闡述類別的三大存取指定符：public、private 與 protected。教科書告訴我們，private 成員僅限類別自身的成員函式存取，外部物件實例無法直接引用；protected 則為繼承體系保留介面，同時隔絕外部存取。這構成了 C++ 封裝特性的基石。

然而，現實遠比理論複雜。C++ 允許指標進行任意類型轉換，這項特性為繞過存取控制提供了「後門」。以下範例程式碼生動演示了如何透過指標運算「穿越保護屏障」，直接修改私有甚至 const 資料成員：

#include <iostream>
using namespace std;

class CMyClass {
    double d;
    int x, y;
    const char ch;
public:
    int z;
    CMyClass(int xx, int yy, char c) : ch(c) { x = xx; y = yy; d = 9.8759; z = 0; }
    void Show() {
        cout << "d=" << d << " " << "x=" << x << " " << "y=" << y << " " << "ch=" << ch << " ";
        cout << "z=" << z << endl;
    }
};

int main() {
    cout << sizeof(CMyClass) << endl;
    CMyClass p(1, 2, 'U');
    p.Show();
    
    CMyClass *ptr = &p;
    // ptr->x = 9.32145; // 編譯錯誤：x 為私有成員
    
    double *dP = (double*)ptr;      // 取得 p.d 位址
    *dP = 9.32145;                  // 修改 p.d
    int *iP = (int*)(dP + 1);       // 取得 p.x 位址
    *iP = 300;                      // 修改 p.x
    *(iP + 1) = 200;                // 修改 p.y
    *(iP + 2) = 65;                 // 修改 ch 為 'A' —— 連 const 都不放過！
    *(iP + 3) = 100;                // 修改 p.z
    p.Show();
    return 0;
}

執行結果：

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d=9.8759 x=1 y=2 ch=U z=0
d=9.32145 x=300 y=200 ch=A z=100

程式碼中，CMyClass 擁有四個私有成員（double d、int x, y、const char ch），正常情況下外部物件 p 完全無法存取。但透過將物件指標 ptr 強制轉型為 double*，再利用指標算術逐步偏移，我們成功修改了所有私有成員——包括理應不可變更的 const char ch。輸出結果中 ch 從 'U' 變為 'A'（ASCII 65），鐵證如山。

更值得玩味的是，sizeof(CMyClass) 回傳 24 位元組，而非預期的 17 位元組（8+4+4+1）。這揭示了類別記憶體佈局受 alignment（記憶體對齊） 影響：char 在類別中佔用與 int 相同大小的空間。指標運算正是利用這種確定的記憶體佈局實現「越界存取」。