條款42: 明智地使用私有繼承

條款35說(shuō)明，C++將公有繼承視為 "是一個(gè)" 的關(guān)系。它是通過(guò)這個(gè)例子來(lái)證實(shí)的：假如某個(gè)類層次結(jié)構(gòu)中，Student類從Person類公有繼承，為了使某個(gè)函數(shù)成功調(diào)用，編譯器可以在必要時(shí)隱式地將Student轉(zhuǎn)換為Person。這個(gè)例子很值得再看一遍，只是現(xiàn)在，公有繼承換成了私有繼承：

class Person { ... };

class Student:/t/t      // 這一次我們
 private Person { ... };/t   // 使用私有繼承

void dance(const Person& p);        // 每個(gè)人會(huì)跳舞

void study(const Student& s);       // 只有學(xué)生才學(xué)習(xí)

Person p;/t/t/t   // p是一個(gè)人
Student s;/t/t/t  // s是一個(gè)學(xué)生

dance(p);/t/t/t   // 正確, p是一個(gè)人

dance(s);/t/t/t   // 錯(cuò)誤！一個(gè)學(xué)生不是一個(gè)人

很顯然，私有繼承的含義不是 "是一個(gè)"，那它的含義是什么呢？

"別忙!" 你說(shuō)。"在弄清含義之前，讓我們先看看行為。私有繼承有那些行為特征呢？" 那好吧。關(guān)于私有繼承的第一個(gè)規(guī)則正如你現(xiàn)在所看到的：和公有繼承相反，如果兩個(gè)類之間的繼承關(guān)系為私有，編譯器一般不會(huì)將派生類對(duì)象（如Student）轉(zhuǎn)換成基類對(duì)象（如Person）。這就是上面的代碼中為對(duì)象s調(diào)用dance會(huì)失敗的原因。第二個(gè)規(guī)則是，從私有基類繼承而來(lái)的成員都成為了派生類的私有成員，即使它們?cè)诨愔惺潜Ｗo(hù)或公有成員。行為特征就這些。

這為我們引出了私有繼承的含義：私有繼承意味著 "用...來(lái)實(shí)現(xiàn)"。如果使類D私有繼承于類B，這樣做是因?yàn)槟阆肜妙怋中已經(jīng)存在的某些代碼，而不是因?yàn)轭愋虰的對(duì)象和類型D的對(duì)象之間有什么概念上的關(guān)系。因而，私有繼承純粹是一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)。用條款36引入的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，私有繼承意味著只是繼承實(shí)現(xiàn)，接口會(huì)被忽略。如果D私有繼承于B，就是說(shuō)D對(duì)象在實(shí)現(xiàn)中用到了B對(duì)象，僅此而已。私有繼承在軟件 "設(shè)計(jì)" 過(guò)程中毫無(wú)意義，只是在軟件 "實(shí)現(xiàn)" 時(shí)才有用。

私有繼承意味著 "用...來(lái)實(shí)現(xiàn)" 這一事實(shí)會(huì)給程序員帶來(lái)一點(diǎn)混淆，因?yàn)闂l款40指出，"分層" 也具有相同的含義。怎么在二者之間進(jìn)行選擇呢？答案很簡(jiǎn)單：盡可能地使用分層，必須時(shí)才使用私有繼承。什么時(shí)候必須呢？這往往是指有保護(hù)成員和/或虛函數(shù)介入的時(shí)候 ---- 但這個(gè)問(wèn)題過(guò)一會(huì)兒再深入討論。

條款41提供了一種方法來(lái)寫(xiě)一個(gè)Stack 模板，此模板生成的類保存不同類型的對(duì)象。你應(yīng)該熟悉一下那個(gè)條款。模板是C++最有用的組成部分之一，但一旦開(kāi)始經(jīng)常性地使用它，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果實(shí)例化一個(gè)模板一百次，你就可能實(shí)例化了那個(gè)模板的代碼一百次。例如Stack模板，構(gòu)成Stack<int>成員函數(shù)的代碼和構(gòu)成Stack<double>成員函數(shù)的代碼是完全分開(kāi)的。有時(shí)這是不可避免的，但即使模板函數(shù)實(shí)際上可以共享代碼，這種代碼重復(fù)還是可能存在。這種目標(biāo)代碼體積的增加有一個(gè)名字：模板導(dǎo)致的 "代碼膨脹"。這不是件好事。

對(duì)于某些類，可以采用通用指針來(lái)避免它。采用這種方法的類存儲(chǔ)的是指針，而不是對(duì)象，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就是：

? 創(chuàng)建一個(gè)類，它存儲(chǔ)的是對(duì)象的void*指針。
? 創(chuàng)建另外一組類，其唯一目的是用來(lái)保證類型安全。這些類都借助第一步中的通用類來(lái)完成實(shí)際工作。

下面的例子使用了條款41中的非模板Stack類，不同的是這里存儲(chǔ)的是通用指針，而不是對(duì)象：

class GenericStack {
public:
 GenericStack();
 ~GenericStack();

 void push(void *object);
 void * pop();

 bool empty() const;

private:
 struct StackNode {
   void *data;/t/t    // 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)
   StackNode *next;/t       // 下一節(jié)點(diǎn)

   StackNode(void *newData, StackNode *nextNode)
   : data(newData), next(nextNode) {}
 };

 StackNode *top;/t/t/t  // 棧頂

 GenericStack(const GenericStack& rhs);   // 防止拷貝和
 GenericStack&/t/t/t    // 賦值(參見(jiàn)
   operator=(const GenericStack& rhs);    // 條款27)
};

因?yàn)檫@個(gè)類存儲(chǔ)的是指針而不是對(duì)象，就有可能出現(xiàn)一個(gè)對(duì)象被多個(gè)堆棧指向的情況（即，被壓入到多個(gè)堆棧）。所以極其重要的一點(diǎn)是，pop和類的析構(gòu)函數(shù)銷毀任何StackNode對(duì)象時(shí)，都不能刪除data指針 ---- 雖然還是得要?jiǎng)h除StackNode對(duì)象本身。畢竟，StackNode 對(duì)象是在GenericStack類內(nèi)部分配的，所以還是得在類的內(nèi)部釋放。所以，條款41中Stack類的實(shí)現(xiàn)幾乎完全滿足the GenericStack的要求。僅有的改變只是用void*來(lái)替換T。

僅僅有GenericStack這一個(gè)類是沒(méi)有什么用處的，但很多人會(huì)很容易誤用它。例如，對(duì)于一個(gè)用來(lái)保存int的堆棧，一個(gè)用戶會(huì)錯(cuò)誤地將一個(gè)指向Cat對(duì)象的指針壓入到這個(gè)堆棧中，但編譯卻會(huì)通過(guò)，因?yàn)閷?duì)void*參數(shù)來(lái)說(shuō)，指針就是指針。

為了重新獲得你所習(xí)慣的類型安全，就要為GenericStack創(chuàng)建接口類（interface class），象這樣：

class IntStack {/t/t  // int接口類
public:
 void push(int *intPtr) { s.push(intPtr); }
 int * pop() { return static_cast<int*>(s.pop()); }
 bool empty() const { return s.empty(); }

private:
 GenericStack s;/t/t // 實(shí)現(xiàn)
};

class CatStack {/t/t  // cat接口類
public:
 void push(Cat *catPtr) { s.push(catPtr); }
 Cat * pop() { return static_cast<Cat*>(s.pop()); }
 bool empty() const { return s.empty(); }

private:
 GenericStack s;/t/t // 實(shí)現(xiàn)
};

正如所看到的，IntStack和CatStack只是適用于特定類型。只有int指針可以被壓入或彈出IntStack，只有Cat指針可以被壓入或彈出CatStack。IntStack和CatStack都通過(guò)GenericStack類來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種關(guān)系是通過(guò)分層（參見(jiàn)條款40）來(lái)體現(xiàn)的，IntStack和CatStack將共享GenericStack中真正實(shí)現(xiàn)它們行為的函數(shù)代碼。另外，IntStack和CatStack所有成員函數(shù)是（隱式）內(nèi)聯(lián)函數(shù)，這意味著使用這些接口類所帶來(lái)的開(kāi)銷幾乎是零。

但如果有些用戶沒(méi)認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)怎么辦？如果他們錯(cuò)誤地認(rèn)為使用GenericStack更高效，或者，如果他們魯莽而輕率地認(rèn)為類型安全不重要，那該怎么辦？怎么才能阻止他們繞過(guò)IntStack和CatStack而直接使用GenericStack（這會(huì)讓他們很容易地犯類型錯(cuò)誤，而這正是設(shè)計(jì)C++所要特別避免的）呢？

沒(méi)辦法！沒(méi)辦法防止。但，也許應(yīng)該有什么辦法。

在本條款的開(kāi)始我就提到，要表示類之間 "用...來(lái)實(shí)現(xiàn)" 的關(guān)系，有一個(gè)選擇是通過(guò)私有繼承?，F(xiàn)在這種情況下，這一技術(shù)就比分層更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)它可以讓你告訴別人：GenericStack使用起來(lái)不安全，它只能用來(lái)實(shí)現(xiàn)其它的類。具體做法是將GenericStack的成員函數(shù)聲明為保護(hù)類型：

class GenericStack {
protected:
 GenericStack();
 ~GenericStack();

 void push(void *object);
 void * pop();

 bool empty() const;

private:
 .../t/t/t     // 同上
};

GenericStack s;/t/t   // 錯(cuò)誤! 構(gòu)造函數(shù)被保護(hù)

class IntStack: private GenericStack {
public:
 void push(int *intPtr) { GenericStack::push(intPtr); }
 int * pop() { return static_cast<int*>(GenericStack::pop()); }
 bool empty() const { return GenericStack::empty(); }
};

class CatStack: private GenericStack {
public:
 void push(Cat *catPtr) { GenericStack::push(catPtr); }
 Cat * pop() { return static_cast<Cat*>(GenericStack::pop()); }
 bool empty() const { return GenericStack::empty(); }
};

IntStack is;/t/t     // 正確

CatStack cs;/t/t     // 也正確

和分層的方法一樣，基于私有繼承的實(shí)現(xiàn)避免了代碼重復(fù)，因?yàn)檫@個(gè)類型安全的接口類只包含有對(duì)GenericStack函數(shù)的內(nèi)聯(lián)調(diào)用。

在GenericStack類之上構(gòu)筑類型安全的接口是個(gè)很花俏的技巧，但需要手工去寫(xiě)所有那些接口類是件很煩的事。幸運(yùn)的是，你不必這樣。你可以讓模板來(lái)自動(dòng)生成它們。下面是一個(gè)模板，它通過(guò)私有繼承來(lái)生成類型安全的堆棧接口：

template<class T>
class Stack: private GenericStack {
public:
 void push(T *objectPtr) { GenericStack::push(objectPtr); }
 T * pop() { return static_cast<T*>(GenericStack::pop()); }
 bool empty() const { return GenericStack::empty(); }
};

這是一段令人驚嘆的代碼，雖然你可能一時(shí)還沒(méi)意識(shí)到。因?yàn)檫@是一個(gè)模板，編譯器將根據(jù)你的需要自動(dòng)生成所有的接口類。因?yàn)檫@些類是類型安全的，用戶類型錯(cuò)誤在編譯期間就能發(fā)現(xiàn)。因?yàn)镚enericStack的成員函數(shù)是保護(hù)類型，并且接口類把GenericStack作為私有基類來(lái)使用，用戶將不可能繞過(guò)接口類。因?yàn)槊總€(gè)接口類成員函數(shù)被（隱式）聲明為inline，使用這些類型安全的類時(shí)不會(huì)帶來(lái)運(yùn)行開(kāi)銷；生成的代碼就象用戶直接使用GenericStack來(lái)編寫(xiě)的一樣（假設(shè)編譯器滿足了inline請(qǐng)求 ---- 參見(jiàn)條款33）。因?yàn)镚enericStack使用了void*指針，操作堆棧的代碼就只需要一份，而不管程序中使用了多少不同類型的堆棧。簡(jiǎn)而言之，這個(gè)設(shè)計(jì)使代碼達(dá)到了最高的效率和最高的類型安全。很難做得比這更好。

本書(shū)的基本認(rèn)識(shí)之一是，C++的各種特性是以非凡的方式相互作用的。這個(gè)例子，我希望你能同意，確實(shí)是非凡的。

從這個(gè)例子中可以發(fā)現(xiàn)，如果使用分層，就達(dá)不到這樣的效果。只有繼承才能訪問(wèn)保護(hù)成員，只有繼承才使得虛函數(shù)可以重新被定義。（虛函數(shù)的存在會(huì)引發(fā)私有繼承的使用，例子參見(jiàn)條款43）因?yàn)榇嬖谔摵瘮?shù)和保護(hù)成員，有時(shí)私有繼承是表達(dá)類之間 "用...來(lái)實(shí)現(xiàn)" 關(guān)系的唯一有效途徑。所以，當(dāng)私有繼承是你可以使用的最合適的實(shí)現(xiàn)方法時(shí)，就要大膽地使用它。同時(shí)，廣泛意義上來(lái)說(shuō)，分層是應(yīng)該優(yōu)先采用的技術(shù)，所以只要有可能，就要盡量使用它。