effective c++ -- 继承与面向对象设计

继承与面向对象设计中，涉及了继承方式，即public、private及protected继承方式，继承体系中的屏蔽问题，成员函数virtual、non-virtual的选择以及多重继承等。

Item 32: 确定你的public继承塑模出is-a关系
以C++进行面向对象编程，最重要的一个规则是：public inheritance意味is-a的关系，于是，基类对象B可以派上用场的地方，继承类对象D一样可以派上用场。
类之间除了存在is-a关系外，还可能存在has-a和is-implementated-in-terms-of的关系。

[b]Item 33: 避免遮掩继承而来的名称
在继承体系下，C++名字查找规则如下：
（1）在函数内查找；
（2）在类内查找；
（3）在基类内查找；
（4）在命名空间内查找；
（5）在全局域内查找。
把（1）~（5）看成在不同域内查找，在每个域内，编译器首先查找所有名字匹配的变量、函数，如果是函数，还会找出其最佳匹配，只要名字在某一步中的领域内匹配了，编译器便不会再往更大的范围查找。编译器总是在匹配完后才检验其可用性，即共访问修饰符public, private等。

我们来看下面一个例子：

class Base{
  private:
    int x;
  public:
    virtual void mf1() = 0;
    virtual void mf1( int ) = 0;
    virtual void mf2();
    void mf3();
    void mf3( double );
    ...
};

class Derived : public Base{
  public:
    virtual void mf1();
    void mf3();
    void mf4();
    ...
};

下面是调用的一些情况：

Derived d;
int x;
...
d.mf1();	//OK,调用Derived::mf1
d.mf1(x);	//error, Derived::mf1()遮掩了Base::mf1
d.mf2();	//OK, 调用Base::mf2
d.mf3();	//OK, 调用Derived::mf3
d.mf3(x);	//error, Derived::mf3遮掩了Base:mf3

如果希望继承base class并加上重载函数，而又希望重新定义或覆写其中一部分，那么必须为那些原本会被遮掩的每个名称引入一个using声明式。如下：

class Derived : public Base{
  public:
    using Base::mf1;
    using Base::mf3;
    virtual void mf1();
    void mf3();
    void mf4();
    ...
};

有时候你并不想继承base class的所有函数，这是可以理解的。但是在public继承下，这绝对不可能发生。因为它违反了public继承所暗示的is-a关系。然而在private继承下它却可能是有意义的。假如Derived以private形式继承Base，而Derived唯一想继承的是那个无参数的mf1版本，可以用forwarding function（转交函数）来实现：

class Derived : private Base{
  public:
    virtual void mf1(){
      Base::mf1();	}	//函数转换，暗自成为inline函数
    void mf3();
    void mf4();
    ...
};

函数转交的另外一个用途是为那些不支持using声明式的老旧编译器另辟一条新路。

Item 34: 区别接口继承和实现继承
（1）Derived类对Base类的继承有几种方式：public、private和protected，它们只是改变其他类（包括派生类的派生类）对派生类中基类成员的访问方式。public派生类继承了基类的藏品，它具有与基类相同的接口，这种方式称为接口继承；private和protected成员相当于继承了基类的操作，但并不把它们开放给其他类用户，这种派生通常称为实现继承。
（2）声明一个pure virtual函数的目的是为了让Derived class只继承函数接口。不过，比较意外的是，我们也可以为pure virtual函数提供定义，不过调用它时需要明确指出其class名称。
（3）声明impure virtual函数的目的是让derived class继承该函数的接口和缺省的实现。
（4）声明non-virtual函数的目的是为了令derived class继承函数的接口及一份强制性实现。

Item 35: 考虑virtual函数以外的其他选择
virtual函数被用来使同一继承体系的不同对象在运行时选择适合的动作，有时候它是那么显而易见的设计方式，以至于我们忘了考虑其他的可能。这一节提供了两种设计模式，来代替可能本来显而易见的virtual函数。
（1）Non-virtual-interface手法实现Template Method模式
模板方法：在一个方法中定义一个算法的骨架，而这些步骤延迟到子类中去。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。
NVI手法用public non-virtual成员函数包裹较低访问性的virtual函数。
（2）Strategy模式
一种方法是将virtual函数替换为“函数指针成员变量”，这种方法使得不同的对象实例（而不是对象）可以拥有不同的处理方法；
比较函数成员指针使用范围更广的是tr1::function，该类型产生的对象可以持有任何与其签名式兼容的可调用物。所谓兼容，是指这个可调用物的参数可被隐式转换为tr1::function指定的参数。可调用物包括函数指针，函数对象以及成员函数指针等。
古典的Strategy模式将继承体系内的virtual函数替换为另一继承体系内的virtual函数。

Item 36: 绝不重新定义继承而来的non-virtual函数
重新定义继承而来的non-virtual函数，会使我们前面提到的，public继承下，D是B的命题不再为真。

Item 37: 绝不重新定义继承而来的缺省参数值
重新定义继承而来的non-virtual函数是错误的。那么，而重新定义virtual函数是很自然的。但是，不要重新定义其缺省的参数值，因为：virtual函数是在运行期间动态绑定的，而缺省的参数值却是静态绑定的。也就是，如果基类的virtual函数有缺省参数，在以后不同派生类的该virtual函数都使用基类的缺省参数。
C++这么做的原因是在于运行期效率。如果缺省参数值是动态绑定，编译器就必须有某种方法在运行期为virtual函数决定适当的参数缺省值。这比目前实行的“在编译期决定”的机制更慢而且更复杂。

Item 38: 通过复合塑模出has-a或is-implemented-in-terms-of
当复合发生于应用域内的对象之间，表现出has-a的关系；当它发生于实现域则是表现is-implemented-in-terms-of。
下面分别是has-a跟is-implemented-in-terms-of的一个例子：

class Address { ... };
class PhoneNumber { ... };

class Person{
  public:
    ...
  private:
      std::string name;		//合成成份物，has-a的关系
      Address addr;
      PhoneNumber voiceNumber;
};

template<class T>
class Set{
  public:
    bool member( const T& item ) const;
    void insert( const T& item );
    void remove( const T& item );
    std::size_t size() const;
  private:
    std::list<T> rep;		//implement Set in terms of list
};

Item 39: 明智而审慎地使用private继承
我们知道，当使用public继承时，派生类D和基类B存在is-a的关系，在需要B类的场合中，编译器会自动将D类转换为B类。但是，这只是发生在public继承下，如果是private继承，将不会有这样的转换。
这是private继承的规则：（1）如上所述，编译器不会自动将一个D对象转换为一个B对象；（2）由private base class继承而来的所有成员，在derived class中都会变成private属性。
private继承意味着implemented-in-terms-of。如果你让D以private形式继承B，你的用意是为了采用B内已经备妥的某些特性，不是因为B对象和D对象存在有什么任何观念上的关系。private继承纯粹是一种实现技术。
而且，在需要implemented-in-terms-of时，尽可能使用复合，必要时才使用private继承。何时才是必要的？主要是当protected成员和/或virtual函数被牵进来的时候。
例如我们有一个Widget，它需要某种计时器，在一个周期到的时候执行某个动作，有这样一个计时器：

class Timer{
  public:
    explicit Timer( int tickFrequency );
    virtual void onTick() const;
    ...
};

可以以private形式继承Timer:

class Widget: private Timer{
  private:
    virtual void onTick() const;
    ...
};

但是下面的复合方式似乎更好：

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

为什么复合的方法比private继承要好呢？
首先，你可能希望让Widget有派生类，但是又不希望这个派生类重新定义onTick()，如果Widget继承自Timer，这样的想法就没办法实现。
其次，使用复合的方法使得我们可以使用pointer to implementation的方法来降低耦合度。
当一个意欲成为derived class者想访问一个意欲成为base class者的protected成分，或为了重新定义一个或多个virtual函数时，我们可能会选择private继承。
另有一种激进情况可能让我们选择使用private，那只适用于所处理的class不带任何数据。这样的class没有non-static成员变量，没有virtual函数（因为这种函数的存在会为每个对象带来一个vptr），也没有virtual base class（因为这样的base class也会招致何种上的额外开销）。于是这种empty class对象不使用任何空间，因为没有任何隶属对象的数据需要存储。但是C++裁定：凡是独立（非附属）对象都必须有非零大小，所以看下面的例子：

class Empty{ ... };	//没有数据，所以其对象不使用任何内存

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

你会发现，sizeof( HoldsAnInt ) > sizeof( int )。因为Empty作为独立对象，必须有非零大小。
如果你这样实现HoldsAnInt:

class HoldsAnInt : private Empty{	//Empty是附属对象
  private:
    int x;
};

现在， sizeof( HoldsAnInt ) == sizeof( int );这就是所谓的Empty Base Optimization，EBO。
明智则审慎地使用private继承的意思是，在考虑过所有其他方案之后（如混合了public继承和复合的设计）仍然认为private继承是“表现程序内两个class之间的关系”的最佳办法，这才用它。

Item 40: 明智而审慎地使用多重继承
多重继承的意思是继承一个以上的base class，但这些class并不常在继承体系中又有更高级的base class。
有多重继承下，程序有可能从一个以上的base class继承相同名称，那会导致较多的歧义，为了解决这个歧义，你必须明白地指出你要调用哪个base class内的函数。
所谓的“钻石型多重继承”，是像下面这样的一种情况：

class File {
  public:
    ...
  private:
    std::string fileName;
    ...
};

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

继承自File的InputFile和OutputFile将各自拥有一个成员变量fileName，那么IOFile内该有多少笔这个名称的数据呢？从某个角度说，IOFile从其每一个base class继承一份，所以其对象内应该有两份fileName成员变量；但是逻辑告诉我们，IOFile对象只该有一个fileName数据，所以它继承自两个base class而来的fileName不该重复。
默认情况下，IOFile将同时从InputFile和OutputFile继承fileName成员，也就是拥有两份fileName，除非显式声明virtual public继承。如下：

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

这样看来我们似乎应该总是用virtual public取代public，可是想一想为避免继承得来的成员变量重复，编译器必须提供若干幕后戏法，而其后果是：使用virtual继承的那些class所产生的对象往往比使用non-virtual继承的兄弟们大，访问virtual base class的成员变量时也比访问non-virtual base class的成员变量速度慢。
因此作者给出的关于virtual继承的忠告：（1）非必要不使用virtual base；（2）如果必须使用virtual base classes，尽可能避免在其中放置数据。
书中最后还用了一个例子来说明多重继承的正当用途，其中涉及“public继承某个interface class”和“private继承某个协助实现的class”的两相组合。

呵呵，感觉这一章总结得很潦草，其中很多想法，大概要到真正应用中，才能体会其艺术吧。