Effective C++ 40：明智地使用多继承

09/07 2015

Item 40: Use multiple inheritance judiciously.

多继承（Multiple Inheritance，MI）是C++特有的概念，在是否应使用多继承的问题上始终争论不断。一派认为单继承（Single Inheritance，SI）是好的，所以多继承更好；另一派认为多继承带来的麻烦更多，应该避免多继承。本文的目的便是了解这两派的视角。具体从如下三个方面来介绍：

多继承比单继承复杂，引入了歧义的问题，以及虚继承的必要性；
虚继承在大小、速度、初始化/赋值的复杂性上有不小的代价，当虚基类中没有数据时还是比较合适的；
多继承有时也是有用的。典型的场景便是：public继承自一些接口类，private继承自那些实现相关的类。

歧义的名称

多继承遇到的首要问题便是父类名称冲突时调用的歧义。如：

class A{
public:
    void func();
};
class B{
private:
    bool func() const;
};
class C: public A, public B{ ... };

C c;
c.func();           // 歧义！

虽然B::func是私有的，但仍然会编译错。这是由C++的重载函数调用的解析规则决定的，首先找到参数最匹配的函数，然后再检查可见性。上述例子中并未找到最匹配的函数，所以抛出了编译错误。为了解决歧义，你必须这样调用：

c.A::func();

多继承菱形

当多继承的父类拥有更高的继承层级时，可能产生更复杂的问题比如多继承菱形（deadly MI diamond）。如图：

class File{};
class InputFile: public File{};
class OutputFile: public File{};
class IOFile: public InputFile, public OutputFile{};

这样的层级在C++标准库中也存在，例如basic_ios, basic_istream, basic_ostream, basic_iostream。

IOFile的两个父类都继承自File，那么File的属性（比如filename）应该在IOFile中保存一份还是两份呢？这是取决于应用场景的，就File::filename来讲显然我们希望它只保存一份，但在其他情形下可能需要保存两份数据。 C++还是一贯的采取了自己的风格：都支持！默认是保存两份数据的方式。如果你希望只存储一份，可以用virtual继承：

class File{};
class InputFile: virtual public File{};
class OutputFile: virtual public File{};
class IOFile: public InputFile, public OutputFile{};

可能多数情况下我们都是希望virtual的方式来继承。但总是用virtual也是不合适的，它有代价：

虚继承类的对象会更大一些；
虚继承类的成员访问会更慢一些；
虚继承类的初始化更反直觉一些。继承层级的最底层（most derived class）负责虚基类的初始化，而且负责整个继承链上所有虚基类的初始化。

基于这些复杂性，Scott Meyers对于多继承的建议是：

如果能不使用多继承，就不用他；
如果一定要多继承，尽量不在里面放数据，也就避免了虚基类初始化的问题。

接口类

这样的一个不包含数据的虚基类和Java或者C#提供的Interface有很多共同之处，这样的类在C++中称为接口类，我们在Item 31中介绍过。一个Person的接口类是这样的：

class IPerson {
public:
    virtual ~IPerson();
    virtual std::string name() const = 0;
    virtual std::string birthDate() const = 0;
};

由于客户无法创建抽象类的对象，所以必须以指针或引用的方式使用IPerson。需要创建实例时客户会调用一些工厂方法，比如：

shared_ptr<IPerson> makePerson(DatabaseID personIdentifier);

同时继承接口类与实现类

在Java中一个典型的类会拥有这样的继承关系：

public class A extends B implements IC, ID{}

继承B通常意味着实现继承，继承IC和ID通常意味着接口继承。在C++中没有接口的概念，但我们有接口类！于是这时就可以多继承：

class CPerson: public IPerson, private PersonInfo{};

PersonInfo是私有继承，因为Person是借助PersonInfo实现的。 Item 39提到对象组合是比private继承更好的实现继承方式。但如果我们希望在CPerson中重写PersonInfo的虚函数，那么就只能使用上述的private继承了（这时就是一个合理的多继承场景）。

现在来设想一个需要重写虚函数的场景：比如PersonInfo里面有一个print函数来输出name, address, phone。但它们之间的分隔符被设计为可被子类定制的：

class PersonInfo{
public:
    void print(){
        char d = delimiter();
        cout<<name<<d<<address<<d<<phone;
    }
    virtual char delimiter() const{ return ','; }
};

CPerson通过private继承复用PersonInfo的实现后便可以重写delimiter函数了：

class CPerson: public IPerson, private PersonInfo{
public:
    virtual char delimiter() const{ return ':'; }
    ...
};

至此完成了一个合理的有用的多继承（MI）的例子。

总结

我们应当将多继承视为面向对象设计工具箱中一个有用的工具。相比于单继承它会更加难以理解，如果有一个等价的单继承设计我们还是应该采用单继承。但有时多继承确实提供了清晰的、可维护的、合理的方式来解决问题。此时我们便应该理智地使用它。

多继承比单继承复杂，引入了歧义的问题，以及虚继承的必要性；
虚继承在大小、速度、初始化/赋值的复杂性上有不小的代价，当虚基类中没有数据时还是比较合适的；
多继承有时也是有用的。典型的场景便是：public继承自一些接口类，private继承自那些实现相关的类。

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