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。

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。

class Base
{
public:
void f() { cout << "Base::f\n"; }
};

class Derived1: public Base
{};

class Derived2: private Base
{};

void method(Base &b)
{
b.f();
}

int main()
{
Base b;
// 基类对象，ok
method(b);
Derived1 d1;
// 公有派生类对象，隐式转换成基类对象，也ok
method(d1);
Derived2 d2;
// 私有派生类对象，无法转换成基类对象，编译出错
method(d2);
}

class Base
{
public:
   void f() { cout << "Base::f\n"; }
};

class Derived1: public Base
{};

class Derived2: private Base
{};

void method(Base &b)
{
   b.f();
}

int main()
{
   Base b;
   // 基类对象，ok
   method(b);
   Derived1 d1;
   // 公有派生类对象，隐式转换成基类对象，也ok
   method(d1);
   Derived2 d2;
   // 私有派生类对象，无法转换成基类对象，编译出错
   method(d2);
}

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。

class Bird
{
public:
void fly();
void walk();
};

class Penguin: private Bird
{
public:
// walk()作为函数实现，其本身对于外界不可见
void jumpAfterWalk() { walk(); jump(); }
private:
void jump();
};

class Bird
{
public:
   void fly();
   void walk();
};

class Penguin: private Bird
{
public:
   // walk()作为函数实现，其本身对于外界不可见
   void jumpAfterWalk() { walk(); jump(); }
private:
   void jump();
};

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。

class Bird
{
public:
void fly();
void walk();
};

class Penguin
{
public:
void jumpAfterWalk() { b.walk(); jump(); }
private:
void jump();
Bird b;
};

class Bird
{
public:
   void fly();
   void walk();
};

class Penguin
{
public:
   void jumpAfterWalk() { b.walk(); jump(); }
private:
   void jump();
   Bird b;
};

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。

// bird.h
class Bird
{..};

// penguin.h
class Bird;
class Penguin
{
..
private:
Bird *b;
};

// bird.h
class Bird
{..};

// penguin.h
class Bird;
class Penguin
{
..
private:
   Bird *b;
};

（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。

class Base
{
public:
void f1();
void f2();
void f3();
};

// 使用私有继承，暴露部分接口的工作变得非常简单
class Derived1: private Base
{
public:
using Base::f1;
using Base::f2;
};

// 使用组合,稍微复杂些
class Derived2
{
public:
void f1() { b.f1(); }
void f2() { b.f2(); }
private:
Base b;
};

class Base
{
public:
   void f1();
   void f2();
   void f3();
};

// 使用私有继承，暴露部分接口的工作变得非常简单
class Derived1: private Base
{
public:
   using Base::f1;
   using Base::f2;
};

// 使用组合,稍微复杂些
class Derived2
{
public:
   void f1() { b.f1(); }
   void f2() { b.f2(); }
private:
   Base b;
};

（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。

class Base
{
public:
void f1() { vf(); } // 相当于this->vf()，运行时多态
protected:
virtual void vf() { cout << "Base::vf()\n"; }
};

class Derived: private Base
{
public:
void f2() { f1(); }
private:
virtual void vf() { cout << "Derived::vf()\n"; }
};

int main()
{
Derived d;
d.f2(); // 打印 "Derived::vf()"
}

class Base
{
public:
   void f1() { vf(); } // 相当于this->vf()，运行时多态
protected:
   virtual void vf() { cout << "Base::vf()\n"; }
};

class Derived: private Base
{
public:
   void f2() { f1(); }
private:
   virtual void vf() { cout << "Derived::vf()\n"; }
};

int main()
{
   Derived d;
   d.f2(); // 打印 "Derived::vf()"
}

（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。

class noncopyable
{
protected:
noncopyable() {}
~noncopyable() {}
private: // emphasize the following members are private
noncopyable( const noncopyable& );
const noncopyable& operator=(  const noncopyable& );
};

class MyClass: private boost::noncopyable
{..}

int main
{
MyClass d1, d2;
d1 = d2; // 编译出错
}

class noncopyable
{
protected:
   noncopyable() {}
   ~noncopyable() {}
private:  // emphasize the following members are private
   noncopyable( const noncopyable& );
   const noncopyable& operator=( const noncopyable& );
};

class MyClass: private boost::noncopyable
{..}

int main
{
   MyClass d1, d2;
   d1 = d2; // 编译出错
}

（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。