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明智地使用private繼承 Effective C++筆記

編輯：C++入門知識

明智地使用private繼承 Effective C++筆記

Item 32提出public繼承表示is-a的關系，這是因為編譯器會在需要的時候將子類對象隱式轉換為父類對象。然而private繼承則不然：

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卻不能eat。這是private繼承和public繼承的不同之處：

編譯器不會把子類對象轉換為父類對象
父類成員（即使是public、protected）都變成了private
子類繼承了父類的實現，而沒有繼承任何接口（因為public成員都變成private了）。因此private繼承是軟件實現中的概念，與軟件設計無關。 private繼承和對象組合類似，都可以表示is-implemented-in-terms-with的關系。那麼它們有什麼區別呢？在面向對象設計中，對象組合往往比繼承提供更大的靈活性，只要可以使用對象組合就不要用private繼承。

private繼承

我們的Widget類需要執行周期性任務，於是希望繼承Timer的實現。因為Widget不是一個Timer，所以我們選擇了private繼承：
```
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中重寫虛函數onTick，使得Widget可以周期性地執行某個任務。為什麼Widget要把onTick聲明為private呢？因為onTick只是Widget的內部實現而非公共接口，我們不希望客戶調用它（Item 18指出接口應設計得不易被誤用）。

private繼承的實現非常簡單，而且有時只能使用private繼承：
1. 當Widget需要訪問Timer的protected成員時。因為對象組合後只能訪問public成員，而private繼承後可以訪問protected成員。
2. 當Widget需要重寫Timer的虛函數時。比如上面的例子中，由於需要重寫onTick單純的對象組合是做不到的。
  對象組合
  
  我們知道對象組合也可以表達is-implemented-in-terms-of的關系，上面的需求當然也可以使用對象組合的方式實現。但由於需要重寫（override）Timer的虛函數，所以還是需要一個繼承關系的：
```
class Widget {
private:
    class WidgetTimer: public Timer {
    public:
        virtual void onTick() const;
    };
    WidgetTimer timer;
};
```
  內部類WidgetTimerpublic繼承自Timer，然後在Widget中保存一個WidgetTimer對象。這是public繼承+對象組合的方式，比private繼承略為復雜。但對象組合仍然擁有它的好處：
  1. 你可能希望禁止Widget的子類重定義onTick。在Java中可以使用finel關鍵字，在C#中可以使用sealed。在C++中雖然沒有這些關鍵字，但你可以使用public繼承+對象組合的方式來做到這一點。上述例子便是。
  2. 減小Widget和Timer的編譯依賴。如果是private繼承，在定義Widget的文件中勢必需要引入#includetimer.h。但如果采用對象組合的方式，你可以把WidgetTimer放到另一個文件中，在Widget中保存WidgetTimer的指針並聲明WidgetTimer即可，見Item 31。
    EBO特性
    
    我們講雖然對象組合優於private繼承，但有些特殊情況下仍然可以選擇private繼承。需要EBO（empty base optimization）的場景便是另一個特例。由於技術原因，C++中的獨立空對象也必須擁有非零的大小，請看：
```
class Empty {}; 
class HoldsAnInt {
private:
  int x;
  Empty e;        
};
```
    Empty e是一個空對象，但你會發現sizeof(HoldsAnInt) > sizeof(int)。因為C++中獨立空對象必須有非零大小，所以編譯器會在Empty裡面插入一個char，這樣Empty大小就是1。由於字節對齊的原因，在多數編譯器中HoldsAnInt的大小通常為2*sizeof(int)。更多字節對齊和空對象大小的討論見Item 7。但如果你繼承了Empty，情況便會不同：
```
class HoldsAnInt: private Empty {
private:
  int x;
};
```
    這時sizeof(HoldsAnInt) == sizeof(int)，這就是空基類優化（empty base optimization，EBO）。當你需要EBO來減小對象大小時，可以使用private繼承的方式。
    
    繼承一個空對象有什麼用呢？雖然空對象不可以有非靜態成員，但它可以包含typedef, enum, 靜態成員，非虛函數（因為虛函數的存在會導致一個徐函數指針，它將不再是空對象）。 STL就定義了很多有用的空對象，比如unary_function, binary_function等。
    
    總結
    - private繼承的語義是is-implemented-in-terms-of，通常不如對象組合。但有時卻是有用的：比如方法protected成員、重寫虛函數。
    - 不同於對象組合，private繼承可以應用EBO，庫的開發者可以用它來減小對象大小。