Effective C++ 39：明智地使用 private 继承

09/06 2015

Item 39: Use private inheritance judiciously.

Item 32提出public继承表示"is-a"的关系，这是因为编译器会在需要的时候将子类对象隐式转换为父类对象。然而private继承则不然：

class Person { ... };
class Student: private Person { ... };     // inheritance is now private
void eat(const Person& p);                 // anyone can eat

Person p;                                  // p is a Person
Student s;                                 // s is a Student
eat(p);                                    // fine, p is a Person
eat(s);                                    // error! a Student isn't a Person

Person可以eat，但Student却不能eat。这是private继承和public继承的不同之处：

编译器不会把子类对象转换为父类对象
父类成员（即使是public、protected）都变成了private

子类继承了父类的实现，而没有继承任何接口（因为public成员都变成private了）。因此private继承是软件实现中的概念，与软件设计无关。 private继承和对象组合类似，都可以表示"is-implemented-in-terms-with"的关系。那么它们有什么区别呢？ 在面向对象设计中，对象组合往往比继承提供更大的灵活性，只要可以使用对象组合就不要用private继承。

private继承

我们的Widget类需要执行周期性任务，于是希望继承Timer的实现。因为Widget不是一个Timer，所以我们选择了private继承：

class Timer {
public:
   explicit Timer(int tickFrequency);
   virtual void onTick() const;          // automatically called for each tick
};
class Widget: private Timer {
private:
  virtual void onTick() const;           // look at Widget usage data, etc.
};

在Widget中重写虚函数onTick，使得Widget可以周期性地执行某个任务。为什么Widget要把onTick声明为private呢？因为onTick只是Widget的内部实现而非公共接口，我们不希望客户调用它（Item 18指出接口应设计得不易被误用）。

private继承的实现非常简单，而且有时只能使用private继承：

当Widget需要访问Timer的protected成员时。因为对象组合后只能访问public成员，而private继承后可以访问protected成员。
当Widget需要重写Timer的虚函数时。比如上面的例子中，由于需要重写onTick单纯的对象组合是做不到的。

对象组合

我们知道对象组合也可以表达"is-implemented-in-terms-of"的关系，上面的需求当然也可以使用对象组合的方式实现。但由于需要重写（override）Timer的虚函数，所以还是需要一个继承关系的：

class Widget {
private:
    class WidgetTimer: public Timer {
    public:
        virtual void onTick() const;
    };
    WidgetTimer timer;
};

内部类WidgetTimerpublic继承自Timer，然后在Widget中保存一个WidgetTimer对象。这是public继承+对象组合的方式，比private继承略为复杂。但对象组合仍然拥有它的好处：

你可能希望禁止Widget的子类重定义onTick。在Java中可以使用finel关键字，在C#中可以使用sealed。在C++中虽然没有这些关键字，但你可以使用public继承+对象组合的方式来做到这一点。上述例子便是。
减小Widget和Timer的编译依赖。如果是private继承，在定义Widget的文件中势必需要引入#include"timer.h"。但如果采用对象组合的方式，你可以把WidgetTimer放到另一个文件中，在Widget中保存WidgetTimer的指针并声明WidgetTimer即可，见Item 31。

EBO特性

我们讲虽然对象组合优于private继承，但有些特殊情况下仍然可以选择private继承。需要EBO（empty base optimization）的场景便是另一个特例。由于技术原因，C++中的独立空对象也必须拥有非零的大小，请看：

class Empty {}; 
class HoldsAnInt {
private:
  int x;
  Empty e;        
};

Empty e是一个空对象，但你会发现sizeof(HoldsAnInt) > sizeof(int)。因为C++中独立空对象必须有非零大小，所以编译器会在Empty里面插入一个char，这样Empty大小就是1。由于字节对齐的原因，在多数编译器中HoldsAnInt的大小通常为2*sizeof(int)。更多字节对齐和空对象大小的讨论见Item 7。但如果你继承了Empty，情况便会不同：

class HoldsAnInt: private Empty {
private:
  int x;
};

这时sizeof(HoldsAnInt) == sizeof(int)，这就是空基类优化（empty base optimization，EBO）。当你需要EBO来减小对象大小时，可以使用private继承的方式。

继承一个空对象有什么用呢？虽然空对象不可以有非静态成员，但它可以包含typedef, enum, 静态成员，非虚函数（因为虚函数的存在会导致一个徐函数指针，它将不再是空对象）。 STL就定义了很多有用的空对象，比如unary_function, binary_function等。

总结

private继承的语义是"is-implemented-in-terms-of"，通常不如对象组合。但有时却是有用的：比如方法protected成员、重写虚函数。
不同于对象组合，private继承可以应用EBO，库的开发者可以用它来减小对象大小。

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