[深入理解C++（二）]理解接口繼承規(guī)則
羅朝輝 ( http://www.shnenglu.com/kesalin/ )
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一，前言
在前一篇《[深入理解C++（一）]類型轉(zhuǎn)換（Type Casting）》中，我詳細講述了 C++ 中轉(zhuǎn)型動作，以及使用規(guī)則。有網(wǎng)友說應(yīng)該提及下《深度探索 C++ 對象模型》一書中的內(nèi)容，其實他的意思是，要是對 C++ 對象的內(nèi)存布局不甚了解，就想要徹悟C++中的類型轉(zhuǎn)型，對象切割，虛函數(shù)調(diào)用等，猶如脫離了堅實的根基，想去建空中閣樓。理解 C++ 對象的內(nèi)存布局對學(xué)會 C++來說至關(guān)重要，但我不打算寫 C++ 對象的內(nèi)存布局相關(guān)的文章，因為要站在前人的肩膀上，大牛陳皓 已經(jīng)就這個主題寫了三篇圖文并茂的文章：
（一），C++ 虛函數(shù)表解析
（二），C++ 對象的內(nèi)存布局（上）
（三），C++ 對象的內(nèi)存布局（下）
在繼續(xù)閱讀本文之前，建議先閱讀這三篇文章，以更好地理解本系列文章。在接下來的內(nèi)容中，我將從重載，重寫，屏蔽等概念入手，引入眾多接口繼承規(guī)則。
二，引子：重載(overload)，重寫(override)，屏蔽(hide)
重載(overload)：在相同作用域內(nèi)，函數(shù)名稱相同，參數(shù)或常量性（const）不同的相關(guān)函數(shù)稱為重載。重載函數(shù)之間的區(qū)分主要在參數(shù)和常量性（const）的不同上，若僅僅是返回值或修飾符 virtual，public/protected/private的不同不被視為重載函數(shù)（無法通過編譯）。不同參數(shù)是指參數(shù)的個數(shù)或類型不同，而類型不同是指各類型之間不能進行隱身類型轉(zhuǎn)換或不多于一次的用戶自定義類型轉(zhuǎn)換（關(guān)于類型轉(zhuǎn)換，請參考前文：類型轉(zhuǎn)型（Type Casting））。當調(diào)用發(fā)生時，編譯器在進行重載決議時根據(jù)調(diào)用所提供的參數(shù)來選擇最佳匹配的函數(shù)。
重寫(override)：派生類重寫基類中同名同參數(shù)同返回值的函數(shù)（通常是虛函數(shù)，這是推薦的做法）。同樣重寫的函數(shù)可以有不同的修飾符virtual，public/protected/private。
屏蔽(hide)：一個內(nèi)部作用域（派生類，嵌套類或名字空間）內(nèi)提供一個同名但不同參數(shù)或不同常量性（const）的函數(shù)，使得外圍作用域的同名函數(shù)在內(nèi)部作用域不可見，編譯器在進行名字查找時將在內(nèi)部作用域找到該名字從而停止去外圍作用域查找，因而屏蔽外圍作用域的同名函數(shù)。
（注：編譯器在決定哪一個函數(shù)應(yīng)該被調(diào)用時，依次要做三件事：名字查找，重載決議，訪問性檢查。后續(xù)文章將詳細介紹這個決定過程。）
下面來分析示例：
class Base
{
public:
virtual void f() { cout << "Base::f()" << endl; }
void f(int) { cout << "Base::f(int)" << endl; }
virtual void f(int) const { cout << "Base::f(int) const" << endl; }
virtual void f(int *) { cout << "Base::f(int *)" << endl; }
};
class Derived : public Base
{
public:
virtual void f() { cout << "Derived::f()" << endl; }
virtual void f(char) { cout << "Derived::f(char)" << endl; }
};
const Base b;
b.f(10);
Derived d;
int value = 10;
d.f();
d.f('A');
d.f(10);
//d.f(&value);//編譯報錯
在上面代碼中，Base 中的一系列名為 f 的函數(shù)在同一作用域內(nèi)，且同名不同參或不同常量性，故為重載函數(shù)；而 Derived 中的 f() 則是重寫了基類同名同參的 f()；而 Derived 中的 f(char) 則屏蔽了 Base 中所有的同名函數(shù)。
所以上面代碼的執(zhí)行結(jié)果是：
Base::f(int) const
Derived::f()
Derived::f(char)
Derived::f(char)
對 d.f(10); 這兩個調(diào)用，看似基類 Base 中有更好的匹配，但實際上由于編譯器在進行名字查找時，首先在 Derived 類作用域中進行查找，找到 f(char) 就停止去基類作用域中查找，因而基類的所有同名函數(shù)沒有機會進入重載決議，因而被屏蔽了。因此編譯器將 10 隱式轉(zhuǎn)型為 char 調(diào)用 Derived 中的 f(char)。至此，聰明的你應(yīng)該很容易明白為什么 d.f(&value); 無法通過編譯了吧（VS編譯器的提示信息很給力）。
三，函數(shù)繼承規(guī)則：
鑒于繼承基類的函數(shù)有如此隱晦的概念需要弄懂，再加上 virtual 函數(shù)，public/protected/private 繼承等等，更是增加了理解一個類接口的難度（因為你不僅要看類自身的接口，還有向上追溯所有基類的接口，以及是以何種方式繼承基類的接口等等）。因此，C++里面有很多針對類接口繼承的慣用法：
1，優(yōu)先使用組合而非繼承。既然繼承代價如此之大，那么最好的就是不繼承唄。當然不是說完全不用繼承，只有在存在明確的“IS-A”關(guān)系時，繼承的好處才會顯現(xiàn)出來（可以用多態(tài)-但要遵循 Liskov 替換原則）；而其他情況下（”HAS-A”或“Is-implemented-in-terms-of”）應(yīng)毫不猶豫地使用組合，而且要優(yōu)先使用 PIMPL（Point to implementation） 手法（后續(xù)文章會介紹這個慣用法）來使用組合。
2，純虛函數(shù)繼承規(guī)則-聲明純虛函數(shù)的目的是讓派生類來繼承函數(shù)接口而非實現(xiàn)，使得純虛函數(shù)就像Java或C#中的 interface 一樣。唯一的例外就是需要純析構(gòu)函數(shù)提供實現(xiàn)（避免資源泄漏）。
3，非純虛函數(shù)繼承規(guī)則-聲明非純虛函數(shù)的目的是讓派生類繼承函數(shù)接口及默認實現(xiàn)。但這是一種欠佳的做法，因為默認實現(xiàn)能讓新加入的沒有重寫該實現(xiàn)的派生類通過編譯并運行，而默認實現(xiàn)有可能并不適用于新加入的派生類，對此編譯器并不會提供任何信息（警告都沒一個）。為了應(yīng)對這一潛在的陷阱，誕生了另一個規(guī)則：”純虛函數(shù)的聲明提供接口，純虛函數(shù)的實現(xiàn)提供默認實現(xiàn)；派生類必須重寫該接口，但在實現(xiàn)時可以調(diào)用基類的默認實現(xiàn)。“
如下代碼所示：
class Base
{
public:
virtual void f() = 0;
};
void Base::f()
{
cout << "Base::f() default implement." << endl;
}
class DerivedA : public Base
{
public:
virtual void f()
{
Base::f();
}
};
class DerivedB : public Base
{
public:
virtual void f()
{
cout << "DerivedB::f() override." << endl;
}
};
4，非虛函數(shù)繼承規(guī)則-永遠也不要重寫基類中的非虛函數(shù)。非虛函數(shù)的目的就是為了讓派生類繼承基類的強制性實現(xiàn)，它并不希望被派生類改寫。
5，盡量不要屏蔽外圍作用域（包括繼承而來的）名字。屏蔽所帶來的隱晦難以理解等問題在前面已有描述。
如果沒得選擇（我還真沒想到有什么場景會出現(xiàn)這種情況，通常換個名字都是可行的）必須重新定義或重寫基類中同名函數(shù)，那么你應(yīng)該為每一個原本會被隱藏的名字引入一個 using 聲明或使用轉(zhuǎn)交函數(shù)（派生類定義同名同參函數(shù)，在該函數(shù)內(nèi)部調(diào)用基類的同名同參函數(shù)）來使這些名字在派生類的作用域中可見。（Effective C++ 條款33）。
該規(guī)則應(yīng)用如下：
class Base
{
public:
virtual void f() { cout << "Base::f()" << endl; }
void f(int) { cout << "Base::f(int)" << endl; }
virtual void f(int) const { cout << "Base::f(int) const" << endl; }
virtual void f(int *) { cout << "Base::f(int *)" << endl; }
};
class Derived : public Base
{
public:
using Base::f;
virtual void f() { cout << "Derived::f()" << endl; }
//virtual void f(char) { cout << "Derived::f(char)" << endl; }
};
const Base b;
b.f(10);
Derived d;
int value = 10;
d.f();
d.f('A');
d.f(10);
d.f(&value);
運行得到的結(jié)果為：
Base::f(int) const
Derived::f()
Base::f(int)
Base::f(int)
Base::f(int *)
在這里，因為使用了 using Base::f; ，因此基類中的所有名字 f 對子類來說都是可見的，所有 d.f(&value); 等均可通過編譯運行了。再次提醒：這是一種非常不好的做法。
6，基類的析構(gòu)函數(shù)應(yīng)當為虛函數(shù)，以避免資源泄漏。
假設(shè)有如下情況，帶非虛析構(gòu)函數(shù)的基類指針 pb 指向一個派生類對象 d，而派生類在其析構(gòu)函數(shù)中釋放了一些資源，如果我們 delete pb; 那么派生類對象的析構(gòu)函數(shù)就不會被調(diào)用，從而導(dǎo)致資源泄漏發(fā)生。因此，應(yīng)該聲明基類的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)。
7，避免 private 繼承 – private 繼承通常意味著根據(jù)某物實現(xiàn)出（Is-implemented-in-terms-of），此種情況下使用基類與派生類這樣的術(shù)語并不太合適，因為它不滿足 Liskov 替換原則，并且從基類繼承而來的所有接口均為私有的，外部不可訪問。private 繼承可用 PIMPL 手法取代。
文中已經(jīng)兩次提到 PIMPL 利器，在這里就 private 繼承先給出一個示例，以后再詳述 PIMPL 的好處。
原先使用 private 繼承：
class SomeClass
{
public:
void DoSomething(){}
};
class OtherClass : private SomeClass
{
private:
void DoSomething(){}
};
使用 PIMPL 手法替代：
class SomeClass
{
public:
void DoSomething(){}
};
class OtherClass
{
public:
OtherClass();
~OtherClass();
void DoSomething();
private:
SomeClass * pImpl;
};
OtherClass::OtherClass()
{
pImpl = new SomeClass();
}
OtherClass::~OtherClass()
{
delete pImpl;
}
void OtherClass::DoSomething()
{
pImpl->DoSomething();
}
8，不要改寫繼承而來的缺省參數(shù)值。前面已經(jīng)說到非虛函數(shù)繼承是種不好的做法，所以在這里的焦點就放在繼承一個帶有缺省參數(shù)值的虛函數(shù)上了。為什么改寫繼承而來的缺省參數(shù)值不好呢？因為虛函數(shù)是動態(tài)綁定的，而缺省參數(shù)值卻是靜態(tài)綁定的，這樣你在進行多態(tài)調(diào)用時：函數(shù)是由動態(tài)類型決定的，而其缺省參數(shù)卻是由靜態(tài)類型決定的，違反直覺。
有代碼有真相：
class Base
{
public:
// 前面的示例為了簡化代碼沒有遵循虛析構(gòu)函數(shù)規(guī)則，在這里說明下
virtual ~Base() {};
virtual void f(int defaultValue = 10)
{
cout << "Base::f() value = " << defaultValue << endl;
}
};
class Derived : public Base
{
public:
virtual void f(int defaultValue = 20)
{
cout << "Derived::f() value = " << defaultValue << endl;
}
};
這段代碼的輸出為：
Derived::f() value = 10
調(diào)用的是動態(tài)類型 d -派生類 Derived的函數(shù)接口，但缺省參數(shù)值卻是由靜態(tài)類型 pb-基類 Base 的函數(shù)接口決定的，這等隱晦的細節(jié)很可能會浪費你一下午來調(diào)試，所以還是早點預(yù)防為好。
9，還有一種流派認為不應(yīng)公開（public）除虛析構(gòu)函數(shù)之外的虛函數(shù)接口，而應(yīng)公開一個非虛函數(shù)，在該非虛函數(shù)內(nèi) protected/private 的虛函數(shù)。這種做法是將接口何時被調(diào)用（非虛函數(shù)）與接口如何被實現(xiàn)（虛函數(shù)）分離開來，以達到更好的隔離效果。在設(shè)計模式上，這是一種策略模式。通常在非虛函數(shù)內(nèi)內(nèi)聯(lián)調(diào)用（直接在頭文件函數(shù)申明處實現(xiàn)就能達到此效果）虛函數(shù)，所以在效率上與直接調(diào)用虛函數(shù)相比不相上下。
譬如：
class Base
{
public:
virtual ~Base() {}
void DoSomething()
{
StepOne();
StepTwo();
}
private:
virtual void StepOne() = 0;
virtual void StepTwo() = 0;
};
class Derived : public Base
{
private:
virtual void StepOne()
{
cout << "Derived StepOne： do something." << endl;
}
virtual void StepTwo()
{
cout << "Derived StepTwo： do something." << endl;
}
};
四，后記
C++ 陷阱特別多，學(xué)好用好 C++ 不容易，但只要把 OO 設(shè)計原則牢記在心頭，多見識些 C++ 慣用手法，C++ 的威力就能很好的展現(xiàn)出來。
五，引用
Effective C++ 條款 32 ~ 39
More Effective C++ 條款20 ~ 25