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標(biāo)題: 謹(jǐn)慎使用多繼承 [打印本頁(yè)]

作者: gaonan132 時(shí)間: 2018-3-25 09:47
標(biāo)題: 謹(jǐn)慎使用多繼承
　觸及 multiple inheritance (MI)（多繼承）的時(shí)候，C++ 社區(qū)就會(huì)鮮明地分裂為兩個(gè)基本的陣營(yíng)。一個(gè)陣營(yíng)認(rèn)為如果 single inheritance (SI)（單繼承）是有好處的，multiple inheritance（多繼承）一定更有好處。另一個(gè)陣營(yíng)認(rèn)為 single inheritance（單繼承）有好處，但是多繼承引起的麻煩使它得不償失。在本文中，我們的主要目的是理解在 MI 問(wèn)題上的這兩種看法。

　　首要的事情之一是要承認(rèn)當(dāng)將 MI 引入設(shè)計(jì)領(lǐng)域時(shí)，就有可能從多于一個(gè)的 base class（基類(lèi)）中繼承相同的名字（例如，函數(shù)，typedef，等等）。這就為歧義性提供了新的時(shí)機(jī)。例如：

class BorrowableItem { // something a library lets you borrow
public:
　void checkOut(); // check the item out from the library
　..
};

class ElectronicGadget {
private:
　bool checkOut() const; // perform self-test, return whether
　... // test succeeds
};

class MP3Player: // note MI here
public BorrowableItem, // (some libraries loan MP3 players)
public ElectronicGadget
{ ... }; // class definition is unimportant

MP3Player mp;

mp.checkOut(); // ambiguous! which checkOut?

　　注意這個(gè)例子，即使兩個(gè)函數(shù)中只有一個(gè)是可訪問(wèn)的，對(duì) checkOut 的調(diào)用也是有歧義的。（checkOut 在 BorrowableItem 中是 public（公有）的，但在 ElectronicGadget 中是 private（私有）的。）這與 C++ 解析 overloaded functions（重載函數(shù)）調(diào)用的規(guī)則是一致的：在看到一個(gè)函數(shù)的是否可訪問(wèn)之前，C++ 首先確定與調(diào)用匹配最好的那個(gè)函數(shù)。只有在確定了 best-match function（最佳匹配函數(shù)）之后，才檢查可訪問(wèn)性。這目前的情況下，兩個(gè) checkOuts 具有相同的匹配程度，所以就不存在最佳匹配。因此永遠(yuǎn)也不會(huì)檢查到 ElectronicGadget::checkOut 的可訪問(wèn)性。

　　為了消除歧義性，你必須指定哪一個(gè) base class（基類(lèi)）的函數(shù)被調(diào)用：

mp.BorrowableItem::checkOut(); // ah, that checkOut...

　　當(dāng)然，你也可以嘗試顯式調(diào)用 ElectronicGadget::checkOut，但這樣做會(huì)有一個(gè) "you're trying to call a private member function"（你試圖調(diào)用一個(gè)私有成員函數(shù)）錯(cuò)誤代替歧義性錯(cuò)誤。

　　multiple inheritance（多繼承）僅僅意味著從多于一個(gè)的 base class（基類(lèi)）繼承，但是在還有 higher-level base classes（更高層次基類(lèi)）的 hierarchies（繼承體系）中出現(xiàn) MI 也并不罕見(jiàn)。這會(huì)導(dǎo)致有時(shí)被稱(chēng)為 "deadly MI diamond"（致命的多繼承菱形）的后果。

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

　　在一個(gè)“在一個(gè) base class（基類(lèi)）和一個(gè) derived class（派生類(lèi)）之間有多于一條路徑的 inheritance hierarchy（繼承體系）”（就像上面在 File 和 IOFile 之間，有通過(guò) InputFile 和 OutputFile 的兩條路徑）的任何時(shí)候，你都必須面對(duì)是否需要為每一條路徑復(fù)制 base class（基類(lèi)）中的 data members（數(shù)據(jù)成員）的問(wèn)題。例如，假設(shè) File class 有一個(gè) data members（數(shù)據(jù)成員）fileName。IOFile 中應(yīng)該有這個(gè) field（字段）的多少個(gè)拷貝呢？一方面，它從它的每一個(gè) base classes（基類(lèi)）繼承一個(gè)拷貝，這就暗示 IOFile 應(yīng)該有兩個(gè) fileName data members（數(shù)據(jù)成員）。另一方面，簡(jiǎn)單的邏輯告訴我們一個(gè) IOFile object（對(duì)象）應(yīng)該僅有一個(gè) file name（文件名），所以通過(guò)它的兩個(gè) base classes（基類(lèi)）繼承來(lái)的 fileName field（字段）不應(yīng)該被復(fù)制。

　　C++ 在這個(gè)爭(zhēng)議上沒(méi)有自己的立場(chǎng)。它恰當(dāng)?shù)刂С謨煞N選項(xiàng)，雖然它的缺省方式是執(zhí)行復(fù)制。如果那不是你想要的，你必須讓這個(gè) class（類(lèi)）帶有一個(gè) virtual base class（虛擬基類(lèi)）的數(shù)據(jù)（也就是 File）。為了做到這一點(diǎn)，你要讓從它直接繼承的所有的 classes（類(lèi)）使用 virtual inheritance（虛擬繼承）：

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

　　標(biāo)準(zhǔn) C++ 庫(kù)包含一個(gè)和此類(lèi)似的 MI hierarchy（繼承體系），只是那個(gè) classes（類(lèi)）是 class templates（類(lèi)模板），名字是 basic_ios，basic_istream，basic_ostream 和 basic_iostream，而不是 File，InputFile，OutputFile 和 IOFile。

　　從正確行為的觀點(diǎn)看，public inheritance（公有繼承）應(yīng)該總是 virtual（虛擬）的。如果這是唯一的觀點(diǎn)，規(guī)則就變得簡(jiǎn)單了：你使用 public inheritance（公有繼承）的任何時(shí)候，都使用 virtual public inheritance（虛擬公有繼承）。唉，正確性不是唯一的視角。避免 inherited fields（繼承來(lái)的字段）復(fù)制需要在編譯器的一部分做一些 behind-the-scenes legerdemain（幕后的戲法），而結(jié)果是從使用 virtual inheritance（虛擬繼承）的 classes（類(lèi)）創(chuàng)建的 objects（對(duì)象）通常比不使用 virtual inheritance（虛擬繼承）的要大。訪問(wèn) virtual base classes（虛擬基類(lèi)）中的 data members（數(shù)據(jù)成員）也比那些 non-virtual base classes（非虛擬基類(lèi)）中的要慢。編譯器與編譯器之間有一些細(xì)節(jié)不同，但基本的要點(diǎn)很清楚：virtual inheritance costs（虛擬繼承要付出成本）。

　　它也有一些其它方面的成本。支配 initialization of virtual base classes（虛擬基類(lèi)初始化）的規(guī)則比 non-virtual bases（非虛擬基類(lèi)）的更加復(fù)雜而且更不直觀。初始化一個(gè) virtual base（虛擬基）的職責(zé)由 hierarchy（繼承體系）中 most derived class（層次最低的派生類(lèi)）承擔(dān)。這個(gè)規(guī)則中包括的含義：

　�。�1）從需要 initialization（初始化）的 virtual bases（虛擬基）派生的 classes（類(lèi)）必須知道它們的 virtual bases（虛擬基），無(wú)論它距離那個(gè) bases（基）有多遠(yuǎn)；

　�。�2）當(dāng)一個(gè)新的 derived class（派生類(lèi)）被加入繼承體系時(shí)，它必須為它的 virtual bases（虛擬基）（包括直接的和間接的）承擔(dān) initialization responsibilities（初始化職責(zé)）。

　　我對(duì)于 virtual base classes（虛擬基類(lèi)）（也就是 virtual inheritance（虛擬繼承））的建議很簡(jiǎn)單。首先，除非必需，否則不要使用 virtual bases（虛擬基）。缺省情況下，使用 non-virtual inheritance（非虛擬繼承）。第二，如果你必須使用 virtual base classes（虛擬基類(lèi)），試著避免在其中放置數(shù)據(jù)。這樣你就不必在意它的 initialization（初始化）（以及它的 turns out（清空），assignment（賦值））規(guī)則中的一些怪癖。值得一提的是 Java 和 .NET 中的 Interfaces（接口）不允許包含任何數(shù)據(jù)，它們?cè)诤芏喾矫婵梢院?C++ 中的 virtual base classes（虛擬基類(lèi)）相比照。

　　現(xiàn)在我們使用下面的 C++ Interface class（接口類(lèi)）（參見(jiàn)《C++箴言：最小化文件之間的編譯依賴》）來(lái)為 persons（人）建模：

class IPerson {
public:
　virtual ~IPerson();

　virtual std::string name() const = 0;
　virtual std::string birthDate() const = 0;
};

　　IPerson 的客戶只能使用 IPerson 的 pointers（指針）和 references（引用）進(jìn)行編程，因?yàn)?abstract classes（抽象類(lèi)）不能被實(shí)例化。為了創(chuàng)建能被當(dāng)作 IPerson objects（對(duì)象）使用的 objects（對(duì)象），IPerson 的客戶使用 factory functions（工廠函數(shù)）（再次參見(jiàn) Item 31）instantiate（實(shí)例化）從 IPerson 派生的 concrete classes（具體類(lèi)）：

// factory function to create a Person object from a unique database ID;
// see Item 18 for why the return type isn't a raw pointer
std::tr1::shared_ptr<IPerson> makePerson(DatabaseID personIdentifier);

// function to get a database ID from the user
DatabaseID askUserForDatabaseID();

DatabaseID id(askUserForDatabaseID());
std::tr1::shared_ptr<IPerson> pp(makePerson(id)); // create an object
// supporting the
// IPerson interface

... // manipulate *pp via
// IPerson's member
// functions

　　但是 makePerson 怎樣創(chuàng)建它返回的 pointers（指針）所指向的 objects（對(duì)象）呢？顯然，必須有一些 makePerson 可以實(shí)例化的從 IPerson 派生的 concrete class（具體類(lèi)）。

　　假設(shè)這個(gè) class（類(lèi)）叫做 CPerson。作為一個(gè) concrete class（具體類(lèi)），CPerson 必須提供它從 IPerson 繼承來(lái)的 pure virtual functions（純虛擬函數(shù)）的 implementations（實(shí)現(xiàn)）。它可以從頭開(kāi)始寫(xiě)，但利用包含大多數(shù)或全部必需品的現(xiàn)有組件更好一些。例如，假設(shè)一個(gè)老式的 database-specific class（老式的數(shù)據(jù)庫(kù)專(zhuān)用類(lèi)）PersonInfo 提供了 CPerson 所需要的基本要素：

class PersonInfo {
public:
　explicit PersonInfo(DatabaseID pid);
　virtual ~PersonInfo();

　virtual const char * theName() const;
　virtual const char * theBirthDate() const;
　...

private:
　virtual const char * valueDelimOpen() const; // see
　virtual const char * valueDelimClose() const; // below
　...
};

　　你可以看出這是一個(gè)老式的 class（類(lèi)），因?yàn)?member functions（成員函數(shù)）返回 const char*s 而不是 string objects（對(duì)象）。盡管如此，如果鞋子合適，為什么不穿呢？這個(gè) class（類(lèi)）的 member functions（成員函數(shù)）的名字暗示結(jié)果很可能會(huì)非常合適。

　　你突然發(fā)現(xiàn) PersonInfo 是設(shè)計(jì)用來(lái)幫助以不同的格式打印 database fields（數(shù)據(jù)庫(kù)字段）的，每一個(gè)字段的值的開(kāi)始和結(jié)尾通過(guò)指定的字符串定界。缺省情況下，字段值開(kāi)始和結(jié)尾定界符是方括號(hào)，所以字段值 "Ring-tailed Lemur" 很可能被安排成這種格式：

[Ring-tailed Lemur]

　　根據(jù)方括號(hào)并非滿足 PersonInfo 的全體客戶的期望的事實(shí)，virtual functions（虛擬函數(shù)）valueDelimOpen 和 valueDelimClose 允許 derived classes（派生類(lèi)）指定它們自己的開(kāi)始和結(jié)尾定界字符串。PersonInfo 的 member functions（成員函數(shù)）的 implementations（實(shí)現(xiàn)）調(diào)用這些 virtual functions（虛擬函數(shù)）在它們返回的值上加上適當(dāng)?shù)亩ń绶Ｗ鳛橐粋€(gè)例子使用 PersonInfo::theName，代碼如下：

const char * PersonInfo::valueDelimOpen() const
{
　return "["; // default opening delimiter
}

const char * PersonInfo::valueDelimClose() const
{
　return "]"; // default closing delimiter
}

const char * PersonInfo::theName() const
{
　// reserve buffer for return value; because this is
　// static, it's automatically initialized to all zeros
　static char value[Max_Formatted_Field_Value_Length];

　// write opening delimiter
　std::strcpy(value, valueDelimOpen());

　append to the string in value this object's name field (being careful to avoid buffer overruns!)

　// write closing delimiter
　std::strcat(value, valueDelimClose());

　return value;
}

　　有人可能會(huì)質(zhì)疑 PersonInfo::theName 的陳舊的設(shè)計(jì)（特別是一個(gè) fixed-size static buffer（固定大小靜態(tài)緩沖區(qū)）的使用，這樣的東西發(fā)生 overrun（越界）和 threading（線程）問(wèn)題是比較普遍的——參見(jiàn)《C++箴言：必須返回對(duì)象時(shí)別返回引用》），但是請(qǐng)把這樣的問(wèn)題放到一邊而注意這里：theName 調(diào)用 valueDelimOpen 生成它要返回的 string（字符串）的開(kāi)始定界符，然后它生成名字值本身，然后它調(diào)用 valueDelimClose。

　　因?yàn)?valueDelimOpen 和 valueDelimClose 是 virtual functions（虛擬函數(shù)），theName 返回的結(jié)果不僅依賴于 PersonInfo，也依賴于從 PersonInfo 派生的 classes（類(lèi)）。

　　對(duì)于 CPerson 的實(shí)現(xiàn)者，這是好消息，因?yàn)楫?dāng)細(xì)讀 IPerson documentation（文檔）中的 fine print（晦澀的條文）時(shí)，你發(fā)現(xiàn) name 和 birthDate 需要返回未經(jīng)修飾的值，也就是，不允許有定界符。換句話說(shuō)，如果一個(gè)人的名字叫 Homer，對(duì)那個(gè)人的 name 函數(shù)的一次調(diào)用應(yīng)該返回 "Homer"，而不是 "[Homer]"。

　　CPerson 和 PersonInfo 之間的關(guān)系是 PersonInfo 碰巧有一些函數(shù)使得 CPerson 更容易實(shí)現(xiàn)。這就是全部。因而它們的關(guān)系就是 is-implemented-in-terms-of，而我們知道有兩種方法可以表現(xiàn)這一點(diǎn)：經(jīng)由 composition（復(fù)合）（參見(jiàn)《C++箴言：通過(guò)composition模擬“has-a”》）和經(jīng)由 private inheritance（私有繼承）（參見(jiàn)《C++箴言：謹(jǐn)慎使用私有繼承》）�！�C++箴言：謹(jǐn)慎使用私有繼承》指出 composition（復(fù)合）是通常的首選方法，但如果 virtual functions（虛擬函數(shù)）要被重定義，inheritance（繼承）就是必不可少的。在當(dāng)前情況下，CPerson 需要重定義 valueDelimOpen 和 valueDelimClose，所以簡(jiǎn)單的 composition（復(fù)合）做不到。最直截了當(dāng)?shù)慕鉀Q方案是讓 CPerson 從 PersonInfo privately inherit（私有繼承），雖然《C++箴言：謹(jǐn)慎使用私有繼承》說(shuō)過(guò)只要多做一點(diǎn)工作，則 CPerson 也能用 composition（復(fù)合）和 inheritance（繼承）的組合有效地重定義 PersonInfo 的 virtuals（虛擬函數(shù)）。這里，我們用 private inheritance（私有繼承）。

　　但是 CPerson 還必須實(shí)現(xiàn) IPerson interface（接口），而這被稱(chēng)為 public inheritance（公有繼承）。這就引出一個(gè) multiple inheritance（多繼承）的合理應(yīng)用：組合 public inheritance of an interface（一個(gè)接口的公有繼承）和 private inheritance of an implementation（一個(gè)實(shí)現(xiàn)的私有繼承）：

class IPerson { // this class specifies the
public: // interface to be implemented
　virtual ~IPerson();

　virtual std::string name() const = 0;
　virtual std::string birthDate() const = 0;
};

class DatabaseID { ... }; // used below; details are
// unimportant

class PersonInfo { // this class has functions
public: // useful in implementing
　explicit PersonInfo(DatabaseID pid); // the IPerson interface
　virtual ~PersonInfo();

　virtual const char * theName() const;
　virtual const char * theBirthDate() const;

　virtual const char * valueDelimOpen() const;
　virtual const char * valueDelimClose() const;
　...
};

class CPerson: public IPerson, private PersonInfo { // note use of MI
public:
　explicit CPerson( DatabaseID pid): PersonInfo(pid) {}
　virtual std::string name() const // implementations
　{ return PersonInfo::theName(); } // of the required
　// IPerson member
　virtual std::string birthDate() const // functions
　{ return PersonInfo::theBirthDate(); }
private: // redefinitions of
　const char * valueDelimOpen() const { return ""; } // inherited virtual
　const char * valueDelimClose() const { return ""; } // delimiter
}; // functions

　　在 UML 中，這個(gè)設(shè)計(jì)看起來(lái)像這樣：

　　這個(gè)例子證明 MI 既是有用的，也是可理解的。

　　時(shí)至今日，multiple inheritance（多繼承）不過(guò)是 object-oriented toolbox（面向?qū)ο蠊ぞ呦洌├锏挠忠环N工具而已，典型情況下，它的使用和理解更加復(fù)雜，所以如果你得到一個(gè)或多或少等同于一個(gè) MI 設(shè)計(jì)的 SI 設(shè)計(jì)，則 SI 設(shè)計(jì)總是更加可取。如果你能拿出來(lái)的僅有的設(shè)計(jì)包含 MI，你應(yīng)該更加用心地考慮一下——總會(huì)有一些方法使得 SI 也能做到。但同時(shí)，MI 有時(shí)是最清晰的，最易于維護(hù)的，最合理的完成工作的方法。在這種情況下，毫不畏懼地使用它。只是要確保謹(jǐn)慎地使用它。

　　Things to Remember

　　·multiple inheritance（多繼承）比 single inheritance（單繼承）更復(fù)雜。它能導(dǎo)致新的歧義問(wèn)題和對(duì) virtual inheritance（虛擬繼承）的需要。

　　·virtual inheritance（虛擬繼承）增加了 size（大小）和 speed（速度）成本，以及 initialization（初始化）和 assignment（賦值）的復(fù)雜度。當(dāng) virtual base classes（虛擬基類(lèi)）沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)它是最適用的。

　　·multiple inheritance（多繼承）有合理的用途。一種方案涉及組合從一個(gè) Interface class（接口類(lèi)）的 public inheritance（公有繼承）和從一個(gè)有助于實(shí)現(xiàn)的 class（類(lèi)）的 private inheritance（私有繼承）。

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