Effective C++条款39：继承与面向对象之（明智而审慎地使用private继承）

一、先介绍一下private继承的语法

• 某派生类private继承于基类之后：
  • ①基类中的所有内容（不论是public、protected、private）在派生类中都是不可访问的
  • ②不能再将派生类对象转换为基类对象
  • ③基类仍然可以重写/隐藏基类的成员方法

二、private继承意味着什么关系？

• private继承意为implemented-terms-of（根据某物实现出）：
  • 假设你让class D以private继承于class B，用意为采用class B内的某些特性来实现class D，再无其他意义了
  • 借助条款34的属于：private继承意味只有实现部分（也就是基类中已经实现的函数）被继承，接口部分（基类中只定义还未实现的）应该被省去
• 与类的复合模式的关系：
  • 在条款38中介绍了类的复合（composition）模式，其中类的复合也有着“is-implemented-in-terms-of”的意义
  • 两者有着同样的意义，但是建议：尽可能使用复合，必要时才使用private继承
  • 何时才必要使用private呢？
    • 主要是当protected成员和/或virtual函数牵扯进来的时候。当派生类想要访问基类的protected成分或者基类想要重写一个或多个virtual函数
    • 还有一种情况，就是当空间方面的利害关系足以踢翻private继承的支柱时（下面介绍）

三、演示案例

• 假设我们有这样一个需求：
  • 我们有一个类Widget，现在想要知道Widget成员函数被调用的次数
  • 现在我们绝对修改Widget class，让它记录每个成员函数被调用次数
  • 为了完成这项工作，我们定义了下面的定时器，该定时器每隔一段时间就会对数据进行统计（统计每个成员函数被调用的次数）

class Timer {
public:
    explicit Timer(int tickFrequency);
    virtual void onTick()const; //定时器每滴答一次，此函数就被自动调用一次
};

• 现在我们需要：
  • Timer类会根据设置的频率进行滴答前进，每次滴答就调用virtual函数
  • 现在我们需要Widget类继承于Timer，然后重新定义这个virtual函数，然后使用该函数来统计Widget的数据（统计每个成员函数被调用的次数）

①错误的做法：以public方式继承

• 错误的做法是让Widget以public方式继承于Timer，然后重写其virtual函数

class Timer {
public:
    explicit Timer(int tickFrequency);
    virtual void onTick()const; //定时器每滴答一次，此函数就被自动调用一次
};

class Widget :public Timer {
public:
    virtual void onTick()const;
};

• 为什么错误：
  • 类似于is-a的关系：我们知道Widget不是一个Timer，我们总不该对一个Widget调用onTick()函数吧？这样会显示很诡异
  • 另外，会违反条款18的忠告：让接口容易被正确使用，不易被误用

②以private方式继承

• 为了完成上面的需求，我们可以让Widget以private的方式继承于Timer
• 代码如下：

class Timer {
public:
    explicit Timer(int tickFrequency);
    virtual void onTick()const; //定时器每滴答一次，此函数就被自动调用一次
};

class Widget :private Timer {
private:
    virtual void onTick()const; //查看Widget的数据..等等
};

• 我们在Wiget中重写了onTick()函数，但是将其声明为private的，不能将其声明为public接口，因为如果声明为public，又再次与上面的public继承相类似了

③以复合的形式实现

• 在条款38我们介绍过，复合形式的类也有着“is-implemented-in-terms-of”的意义，因此我们还可以使用复合模式来实现这个功能
• 代码如下：

class Timer {
public:
    explicit Timer(int tickFrequency);
    virtual void onTick()const; //定时器每滴答一次，此函数就被自动调用一次
};

class Widget{
public:
private:
    class WidgetTimer :public Timer {
    public:
        virtual void onTick()const;
    };
    WidgetTimer timer;
};

• 我们派生了一个Timer的派生类WidgetTimer，并重写onTick()函数，然后定义一个WidgetTimer类对象定义于Widget class中
• 相同的问题，建议使用复合模式，而不建议使用private继承，原因有两点：
  • ①防止Widget的派生类重写onTick()函数：
    • 在继承方式下：如果Wiget又定义了派生类，你不希望派生类去重写onTick()函数，但是这种情况可能会无法阻止
    • 在复合模式下：Widget的派生类就不可能有机会去重写onTick()函数了，因为WidgetTimer类是Widget内部的一个private成员，派生类永远无法访问
  • ②可以将Widget的编译依存性降至最低：
    • 在继承方式下：如果Widget继承与Timer，那么当Widget被编译时需要知道Timer的定义（不仅仅是声明），因此你可能会在Widget的头文件中包含#include "Timer.h"这样的东西
    • 在复合模式下：假设我们修改上面的复合模式，将WidgetTimer定义在Widget之外，然后在Widget内定义一个WidgetTimer的指针，此时Widget可以只带着WidgetTimer的声明式，那么当Widget编译时就不需要任何与Timer的任何东西。对大型系统而言，这是很重要的措施

四、private继承的另外一个使用场景

• private继承还用于：基类的class不带有任何数据时
• 基类通常：没有non-static成员变量，也没有virutal函数（因为这种函数的存在会为每一个对象带来一个vptr，见条款7），也没有virtual base classes（因为这样的base classes也会导致类的体积增大，见条款40）

演示案例

• 当一个类没有任何成员变量时，编译器会自动为其设定大小（不同的编译器不同），通常为1字节（C++默认安插一个char到空类中）。例如：

class Empty {}; //空类

sizeof(Empty);  //1字节

• 上面的规则是适用于独立的类，如果其有派生类，并且派生类有成员，那么这种规则就会消失。例如：

class Empty {};

class HoldsAnint :private Empty {
private:
    int x;
};

sizeof(HoldsAnint); //4

• 这个规则就是所谓的EBO：空白积累最优化（empty base optimization）。如果你的程序非常在意空间，那么值得注意EBO
• 另外还需要注意：EBO一般只在单一继承（而非多重继承下）才可行
• 例如STL有很多实现中就用到了empty classes。例如unary_func和binary_function等。EBO使继承很少增加派生类的大小

五、总结

• private继承意为“is-implemented-in-terms-of（根据某物实现出）”。它通常比复合（composition）的级别低。但是当derived class需要访问protected base class的成员，或需要重新定义继承而来的virtual函数时，这么设计时合理的
• 和复合（composition）不同，private继承可以造成empty base最优化。这对致力于“对象尺寸最小化”的程序库开发者而言，可能很重要