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。

[cpp] view plaincopyprint?

1. class Base
2. {
3. public:
4. void f() { cout << "Base::f\n"; }
5. };
7. class Derived1: public Base
8. {};
10. class Derived2: private Base
11. {};
13. void method(Base &b)
14. {
15. b.f();
16. }
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. }

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。

[cpp] view plaincopyprint?

1. class Bird
2. {
3. public:
4. void fly();
5. void walk();
6. };
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. };

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。

[cpp] view plaincopyprint?

1. class Bird
2. {
3. public:
4. void fly();
5. void walk();
6. };
8. class Penguin
9. {
10. public:
11. void jumpAfterWalk() { b.walk(); jump(); }
12. private:
13. void jump();
14. Bird b;
15. };

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。

[cpp] view plaincopyprint?

1. // bird.h
2. class Bird
3. {..};
5. // penguin.h
6. class Bird;
7. class Penguin
8. {
9. ..
10. private:
11. Bird *b;
12. };

// bird.hclass Bird{..};// penguin.hclass 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。

[cpp] view plaincopyprint?

1. class Base
2. {
3. public:
4. void f1();
5. void f2();
6. void f3();
7. };
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. };
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. };

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。

[cpp] view plaincopyprint?

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. };
9. class Derived: private Base
10. {
11. public:
12. void f2() { f1(); }
13. private:
14. virtual void vf() { cout <<"Derived::vf()\n"; }
15. };
17. int main()
18. {
19. Derived d;
20. d.f2(); // 打印 "Derived::vf()"
21. }

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。

[cpp] view plaincopyprint?

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. };
11. class MyClass: private boost::noncopyable
12. {..}
14. int main
15. {
16. MyClass d1, d2;
17. d1 = d2; // 编译出错
18. }

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。