揭开私有继承的面纱

什么是私有继承?以前在学校学习的时候,冥冥乎知道有这样一个东西,却没有仔细研究过。后来工作中用到Boost库才开始了解它。如果说保护继承大多是为了语言完整性的话,私有继承还是有一些用途的。


私有继承 vs 公有继承


公有继承继承的是接口与实现,它表示了类与类之间is-a的关系。而私有继承继承的仅仅是实现,它表示了has-a (或者 is-implemented-in-terms-of)的关系

揭开私有继承的面纱_第1张图片

         在公有继承中,基类的公有成员在派生类中仍然公有,基类拥有的接口完整无缺地传给了派生类,也就是说基类对象出现的每一个地方都可以用派生类对象替换(is-a)。因此,编译器可以安全地把派生类对象的引用、指针隐式转换为基类对象的引用、指针。而在私有继承中,基类的公有和保护成员在派生类中变成了私有,从外界来看,派生类对象不再拥有基类的行为。因此,编译器不会做类似的转换。同样,对象切片(object slicing)也只有在公有继承中才会出现。

  1. class Base  
  2. {  
  3. public:  
  4.    void f() { cout << "Base::f\n"; }  
  5. };  
  6.   
  7. class Derived1: public Base  
  8. {};  
  9.   
  10. class Derived2: private Base  
  11. {};  
  12.   
  13. void method(Base &b)  
  14. {  
  15.    b.f();  
  16. }  
  17.   
  18. int main()  
  19. {  
  20.    Base b;  
  21.    // 基类对象,ok  
  22.    method(b);  
  23.    Derived1 d1;  
  24.    // 公有派生类对象,隐式转换成基类对象,也ok  
  25.    method(d1);  
  26.    Derived2 d2;  
  27.    // 私有派生类对象,无法转换成基类对象,编译出错  
  28.    method(d2);  
  29. }  

私有继承的本质


         私有继承隐藏了基类的接口,但这些被隐藏的函数在派生类的成员函数中是可以调用的。所以,你在实现派生类函数的时候可以调用基类对象函数来完成部分功能(is-implemented-in-terms-of)。下面这个例子中,企鹅类私有继承了鸟类。没有公有继承是因为企鹅并不是严格意义上的鸟,因为它们不会飞。如果我们要求所有的企鹅在走完路以后都要蹦一下,我们完全可以重用基类的Bird::walk来完成走路这个子过程。

  1. class Bird  
  2. {  
  3. public:  
  4.    void fly();  
  5.    void walk();  
  6. };  
  7.   
  8. class Penguin: private Bird  
  9. {  
  10. public:  
  11.    // walk()作为函数实现,其本身对于外界不可见  
  12.    void jumpAfterWalk() { walk(); jump(); }  
  13. private:  
  14.    void jump();  
  15. };  

私有继承 vs 组合


         实际上,私有继承只是实现 has-a 的方式之一,对象组合(composition/aggregation/containment)同样可以达到相同的目的。还是考虑企鹅的例子,鸟类对象作为了企鹅类的一个私有成员,企鹅的行走动作是通过调用该私有成员(b)的公有成员函数(walk)来完成的。企鹅和鸟对象之间是一种包含关系。

  1. class Bird  
  2. {  
  3. public:  
  4.    void fly();  
  5.    void walk();  
  6. };  
  7.   
  8. class Penguin  
  9. {  
  10. public:  
  11.    void jumpAfterWalk() { b.walk(); jump(); }  
  12. private:  
  13.    void jump();  
  14.    Bird b;  
  15. };  
同样是 has-a 的关系,它们两个各有什么优缺点呢?

组合的优点


       (一)组合相对于继承来说耦合度较小,特别是当Penguin类hold了一个Bird对象的指针而非对象时。这时候包含Penguin定义的头文件甚至都不用包含Bird.h而只用一个向前声明即可。这样的好处是,当Bird的内部实现发生变化时,Penguin类不需要重新编译。这在大型项目中非常重要。
  1. // bird.h  
  2. class Bird  
  3. {..};  
  4.   
  5. // penguin.h  
  6. class Bird;  
  7. class Penguin  
  8. {  
  9. ..  
  10. private:  
  11.    Bird *b;  
  12. };  
        (二)Penguin类可以同时有多个Bird类的对象成员b1,b2.. 继承是无法做到这点的。

私有继承的优点


         (一)你要继承一个类,但只希望保留其中的部分公用接口。首先,公有继承肯定不合适,因为基类接口必须全部保留。用组合可以实现,但是由于组合不会把子对象的接口暴露出来,你需要重新定义那些你希望保留的接口。为了实现接口,你需要调用子对象的相应函数。相比较之下,私有继承就简单很多。因为基类的接口派生类都有,只不过是私有的,重新把它们声明为公有即可。比如下面这个例子,派生类只希望暴露f1和f2这两个接口。
  1. class Base  
  2. {  
  3. public:  
  4.    void f1();  
  5.    void f2();  
  6.    void f3();  
  7. };  
  8.   
  9. // 使用私有继承,暴露部分接口的工作变得非常简单  
  10. class Derived1: private Base  
  11. {  
  12. public:  
  13.    using Base::f1;  
  14.    using Base::f2;  
  15. };  
  16.   
  17. // 使用组合,稍微复杂些  
  18. class Derived2  
  19. {  
  20. public:  
  21.    void f1() { b.f1(); }  
  22.    void f2() { b.f2(); }  
  23. private:  
  24.    Base b;  
  25. };  
      (二)如果你希望重新定义一个类的虚函数,那么只好用私有继承。这点并没有看上去那么容易理解:由于是私有继承,怎样才能实现运行时多态呢?毕竟,基类的指针指向派生类对象是不允许的。如果不能调到派生类重新定义的虚函数,我们实现它又有什么意义呢?下面这个例子给出了一种可能的模型。
  1. class Base  
  2. {  
  3. public:  
  4.    void f1() { vf(); } // 相当于this->vf(),运行时多态  
  5. protected:  
  6.    virtual void vf() { cout << "Base::vf()\n"; }  
  7. };  
  8.   
  9. class Derived: private Base  
  10. {  
  11. public:  
  12.    void f2() { f1(); }  
  13. private:  
  14.    virtual void vf() { cout << "Derived::vf()\n"; }  
  15. };  
  16.   
  17. int main()  
  18. {  
  19.    Derived d;  
  20.    d.f2(); // 打印 "Derived::vf()"  
  21. }  
      (三)如果要保证一个类不具有拷贝属性(例如mutex,数据库连接等),应该怎么做?一种方法是把拷贝构造函数、赋值运算符私有化。但还是有一个问题,类的成员函数还是可以调用它们。一个更好的办法是继承boost::noncopyable。只有当有对象拷贝动作的时候,编译器才会合成出拷贝构造函数等,这时候编译出错,因为基类的拷贝函数无法访问;当没有拷贝动作时,不会生成拷贝函数,一切正常。注意,由于noncopyable的构造析构是保护属性,组合方式不可行,只能使用继承。虽然私有和公有继承技术上都可行(因为所有noncopyable的函数都已经不是公有了),但私有继承更好,因为这里正是一个is-implemented-in-terms-of 而非 is-a 的关系。
  1. class noncopyable  
  2. {  
  3. protected:  
  4.    noncopyable() {}  
  5.    ~noncopyable() {}  
  6. private:  // emphasize the following members are private  
  7.    noncopyable( const noncopyable& );  
  8.    const noncopyable& operator=( const noncopyable& );  
  9. };  
  10.   
  11. class MyClass: private boost::noncopyable  
  12. {..}  
  13.   
  14. int main  
  15. {  
  16.    MyClass d1, d2;  
  17.    d1 = d2; // 编译出错  
  18. }  

       (四)最后,当你需要用到一个类保护成员的时候,不得不用私有继承。因为保护成员对于外界不可见,但对于派生类可见。


虚析构函数的思考

        

        当私有继承一个基类时,派生类对象不再是基类对象,编译器也不会执行隐式类型转换,因此也不会出现通过基类指针释放派生类对象的问题。所以,如果你写了一个类不打算做基类,或者只打算作为以后派生类的实现(私有继承),那么大可不必有虚析构函数。上面的 boost::noncopyable 就是一个例子。


小结:

  1. 私有继承中,基类所有的成员在派生类中都为私有。编译器也因此不会做从派生类到基类的隐式类型转换。
  2. 公有继承表示 is-a 的关系,私有继承表示has-a 或 is-implemented-in-terms-of 的关系。
  3. 私有继承和组合都表示 has-a 关系,各有千秋。一般来说,能用组合尽量用组合,因为它松耦合,维护也比较简单直观。当必须使用私有继承时才使用它。

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