揭開私有繼承的面紗

 

 什麼是私有繼承？以前在學校學習的時候，冥冥乎知道有這樣一個東西，卻沒有仔細研究過。後來工作中用到Boost庫纔開始瞭解它。如果說保護繼承大多是爲了語言完整性的話，私有繼承還是有一些用途的。

私有繼承 vs 公有繼承

公有繼承繼承的是接口與實現，它表示了類與類之間is-a的關係。而私有繼承繼承的僅僅是實現，它表示了has-a（或者 is-implemented-in-terms-of）的關係。

在公有繼承中，基類的公有成員在派生類中仍然公有，基類擁有的接口完整無缺地傳給了派生類，也就是說基類對象出現的每一個地方都可以用派生類對象替換（is-a）。因此，編譯器可以安全地把派生類對象的引用、指針隱式轉換爲基類對象的引用、指針。而在私有繼承中，基類的公有和保護成員在派生類中變成了私有，從外界來看，派生類對象不再擁有基類的行爲。因此，編譯器不會做類似的轉換。同樣，對象切片（object slicing）也只有在公有繼承中才會出現。

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;
// 基類對象，ok
method(b);
Derived1 d1;
// 公有派生類對象，隱式轉換成基類對象，也ok
method(d1);
Derived2 d2;
// 私有派生類對象，無法轉換成基類對象，編譯出錯
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;
   // 基類對象，ok
   method(b);
   Derived1 d1;
   // 公有派生類對象，隱式轉換成基類對象，也ok
   method(d1);
   Derived2 d2;
   // 私有派生類對象，無法轉換成基類對象，編譯出錯
   method(d2);
}

私有繼承的本質

私有繼承隱藏了基類的接口，但這些被隱藏的函數在派生類的成員函數中是可以調用的。所以，你在實現派生類函數的時候可以調用基類對象函數來完成部分功能（is-implemented-in-terms-of）。下面這個例子中，企鵝類私有繼承了鳥類。沒有公有繼承是因爲企鵝並不是嚴格意義上的鳥，因爲它們不會飛。如果我們要求所有的企鵝在走完路以後都要蹦一下，我們完全可以重用基類的Bird::walk來完成走路這個子過程。

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

class Penguin: private Bird
{
public:
// walk()作爲函數實現，其本身對於外界不可見
void jumpAfterWalk() { walk(); jump(); }
private:
void jump();
};

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

class Penguin: private Bird
{
public:
   // walk()作爲函數實現，其本身對於外界不可見
   void jumpAfterWalk() { walk(); jump(); }
private:
   void jump();
};

私有繼承 vs 組合

實際上，私有繼承只是實現 has-a 的方式之一，對象組合（composition/aggregation/containment）同樣可以達到相同的目的。還是考慮企鵝的例子，鳥類對象作爲了企鵝類的一個私有成員，企鵝的行走動作是通過調用該私有成員（b）的公有成員函數（walk）來完成的。企鵝和鳥對象之間是一種包含關係。

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;
};

同樣是 has-a 的關係，它們兩個各有什麼優缺點呢？

組合的優點

（一）組合相對於繼承來說耦合度較小，特別是當Penguin類hold了一個Bird對象的指針而非對象時。這時候包含Penguin定義的頭文件甚至都不用包含Bird.h而只用一個向前聲明即可。這樣的好處是，當Bird的內部實現發生變化時，Penguin類不需要重新編譯。這在大型項目中非常重要。

// 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類可以同時有多個Bird類的對象成員b1，b2.. 繼承是無法做到這點的。

私有繼承的優點

（一）你要繼承一個類，但只希望保留其中的部分公用接口。首先，公有繼承肯定不合適，因爲基類接口必須全部保留。用組合可以實現，但是由於組合不會把子對象的接口暴露出來，你需要重新定義那些你希望保留的接口。爲了實現接口，你需要調用子對象的相應函數。相比較之下，私有繼承就簡單很多。因爲基類的接口派生類都有，只不過是私有的，重新把它們聲明爲公有即可。比如下面這個例子，派生類只希望暴露f1和f2這兩個接口。

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

// 使用私有繼承，暴露部分接口的工作變得非常簡單
class Derived1: private Base
{
public:
using Base::f1;
using Base::f2;
};

// 使用組合,稍微複雜些
class Derived2
{
public:
void f1() { b.f1(); }
void f2() { b.f2(); }
private:
Base b;
};

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

// 使用私有繼承，暴露部分接口的工作變得非常簡單
class Derived1: private Base
{
public:
   using Base::f1;
   using Base::f2;
};

// 使用組合,稍微複雜些
class Derived2
{
public:
   void f1() { b.f1(); }
   void f2() { b.f2(); }
private:
   Base b;
};

（二）如果你希望重新定義一個類的虛函數，那麼只好用私有繼承。這點並沒有看上去那麼容易理解：由於是私有繼承，怎樣才能實現運行時多態呢？畢竟，基類的指針指向派生類對象是不允許的。如果不能調到派生類重新定義的虛函數，我們實現它又有什麼意義呢？下面這個例子給出了一種可能的模型。

class Base
{
public:
void f1() { vf(); } // 相當於this->vf()，運行時多態
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(); } // 相當於this->vf()，運行時多態
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）如果要保證一個類不具有拷貝屬性（例如mutex，數據庫連接等），應該怎麼做？一種方法是把拷貝構造函數、賦值運算符私有化。但還是有一個問題，類的成員函數還是可以調用它們。一個更好的辦法是繼承boost::noncopyable。只有當有對象拷貝動作的時候，編譯器纔會合成出拷貝構造函數等，這時候編譯出錯，因爲基類的拷貝函數無法訪問；當沒有拷貝動作時，不會生成拷貝函數，一切正常。注意，由於noncopyable的構造析構是保護屬性，組合方式不可行，只能使用繼承。雖然私有和公有繼承技術上都可行（因爲所有noncopyable的函數都已經不是公有了），但私有繼承更好，因爲這裏正是一個is-implemented-in-terms-of而非 is-a 的關係。

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; // 編譯出錯
}

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; // 編譯出錯
}

（四）最後，當你需要用到一個類保護成員的時候，不得不用私有繼承。因爲保護成員對於外界不可見，但對於派生類可見。

虛析構函數的思考

當私有繼承一個基類時，派生類對象不再是基類對象，編譯器也不會執行隱式類型轉換，因此也不會出現通過基類指針釋放派生類對象的問題。所以，如果你寫了一個類不打算做基類，或者只打算作爲以後派生類的實現（私有繼承），那麼大可不必有虛析構函數。上面的 boost::noncopyable 就是一個例子。

小結：

1. 私有繼承中，基類所有的成員在派生類中都爲私有。編譯器也因此不會做從派生類到基類的隱式類型轉換。
2. 公有繼承表示 is-a 的關係，私有繼承表示has-a 或 is-implemented-in-terms-of 的關係。
3. 私有繼承和組合都表示 has-a 關係，各有千秋。一般來說，能用組合儘量用組合，因爲它鬆耦合，維護也比較簡單直觀。當必須使用私有繼承時才使用它。