Item 40: 谨慎使用 multiple inheritance（多继承）

作者：Scott Meyers

译者：fatalerror99 (iTePub's Nirvana)

发布：http://blog.csdn.net/fatalerror99/

触及 multiple inheritance (MI)（多继承）的时候，C++ 社区就会鲜明地分裂为两个基本的阵营。一个阵营认为如果 single inheritance (SI)（单继承）是有好处的，multiple inheritance（多继承）一定更有好处。另一个阵营认为 single inheritance（单继承）有好处，但是多继承引起的麻烦使它得不偿失。在这个 Item 中，我们的主要目的是理解在 MI 问题上的这两种看法。

首要的事情之一是要承认当将 MI 引入设计领域时，就有可能从多于一个的 base class（基类）中继承相同的名字（例如，函数，typedef，等等）。这就为歧义性提供了新的时机。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?

注意这个例子，即使两个函数中只有一个是可访问的，对 checkOut 的调用也是有歧义的。（checkOut 在 BorrowableItem 中是 public（公有）的，但在 ElectronicGadget 中是 private（私有）的。）这与 C++ 解析 overloaded functions（重载函数）调用的规则是一致的：在看到一个函数的是否可访问之前，C++ 首先确定与调用匹配最好的那个函数。只有在确定了 best-match function（最佳匹配函数）之后，才检查可访问性。这目前的情况下，两个 checkOuts 具有相同的匹配程度，所以就不存在最佳匹配。因此永远也不会检查到 ElectronicGadget::checkOut 的可访问性。

为了消除歧义性，你必须指定哪一个 base class（基类）的函数被调用：

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

当然，你也可以尝试显式调用 ElectronicGadget::checkOut，但这样做会有一个 "you're trying to call a private member function"（你试图调用一个私有成员函数）错误代替歧义性错误。

multiple inheritance（多继承）仅仅意味着从多于一个的 base class（基类）继承，但是在还有 higher-level base classes（更高层次基类）的 hierarchies（继承体系）中出现 MI 也并不罕见。这会导致有时被称为 "deadly MI diamond"（致命的多继承菱形）的后果。

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

你拥有一个“在一个 base class（基类）和一个 derived class（派生类）之间有多于一条路径的 inheritance hierarchy（继承体系）”（就像上面在 File 和 IOFile 之间，有通过 InputFile 和 OutputFile 的两条路径）的任何时候，你都必须面对是否需要为每一条路径复制 base class（基类）中的 data members（数据成员）的问题。例如，假设 File class 有一个 data members（数据成员）fileName。IOFile 中应该有这个 field（字段）的多少个拷贝呢？一方面，它从它的每一个 base classes（基类）继承一个拷贝，这就暗示 IOFile 应该有两个 fileName data members（数据成员）。另一方面，简单的逻辑告诉我们一个 IOFile object（对象）应该仅有一个 file name（文件名），所以通过它的两个 base classes（基类）继承来的 fileName field（字段）不应该被复制。

C++ 在这个争议上没有自己的立场。它恰当地支持两种选项，虽然它的缺省方式是执行复制。如果那不是你想要的，你必须让这个 class（类）带有一个 virtual base class（虚拟基类）的数据（也就是 File）。为了做到这一点，你要让从它直接继承的所有的 classes（类）使用 virtual inheritance（虚拟继承）：

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

标准 C++ 库包含一个和此类似的 MI hierarchy（继承体系），只是那个 classes（类）是 class templates（类模板），名字是 basic_ios，basic_istream，basic_ostream 和 basic_iostream，而不是 File，InputFile，OutputFile 和 IOFile。

从正确行为的观点看，public inheritance（公有继承）应该总是 virtual（虚拟）的。如果这是唯一的观点，规则就变得简单了：你使用 public inheritance（公有继承）的任何时候，都使用 virtual public inheritance（虚拟公有继承）。唉，正确性不是唯一的视角。避免 inherited fields（继承来的字段）复制需要在编译器的一部分做一些 behind-the-scenes legerdemain（幕后的戏法），而结果是从使用 virtual inheritance（虚拟继承）的 classes（类）创建的 objects（对象）通常比不使用 virtual inheritance（虚拟继承）的要大。访问 virtual base classes（虚拟基类）中的 data members（数据成员）也比那些 non-virtual base classes（非虚拟基类）中的要慢。编译器与编译器之间有一些细节不同，但基本的要点很清楚：virtual inheritance costs（虚拟继承要付出成本）。

它也有一些其它方面的成本。支配 initialization of virtual base classes（虚拟基类初始化）的规则比 non-virtual bases（非虚拟基类）的更加复杂而且更不直观。初始化一个 virtual base（虚拟基）的职责由 hierarchy（继承体系）中 most derived class（层次最低的派生类）承担。这个规则中包括的含义：（1）从需要 initialization（初始化）的 virtual bases（虚拟基）派生的 classes（类）必须知道它们的 virtual bases（虚拟基），无论它距离那个 bases（基）有多远；（2）当一个新的 derived class（派生类）被加入继承体系时，它必须为它的 virtual bases（虚拟基）（包括直接的和间接的）承担 initialization responsibilities（初始化职责）。

我对于 virtual base classes（虚拟基类）（也就是 virtual inheritance（虚拟继承））的建议很简单。首先，除非必需，否则不要使用 virtual bases（虚拟基）。缺省情况下，使用 non-virtual inheritance（非虚拟继承）。第二，如果你必须使用 virtual base classes（虚拟基类），试着避免在其中放置数据。这样你就不必在意它的 initialization（初始化）（以及它的 turns out（清空），assignment（赋值））规则中的一些怪癖。值得一提的是 Java 和 .NET 中的 Interfaces（接口）不允许包含任何数据，它们在很多方面可以和 C++ 中的 virtual base classes（虚拟基类）相比照。

现在我们使用下面的 C++ Interface class（接口类）（参见 Item 31）来为 persons（人）建模：

class IPerson {
public:
  virtual ~IPerson();

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

IPerson 的客户只能使用 IPerson 的 pointers（指针）和 references（引用）进行编程，因为 abstract classes（抽象类）不能被实例化。为了创建能被当作 IPerson objects（对象）使用的 objects（对象），IPerson 的客户使用 factory functions（工厂函数）（再次参见 Item 31）instantiate（实例化）从 IPerson 派生的 concrete classes（具体类）：

// 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 怎样创建它返回的 pointers（指针）所指向的 objects（对象）呢？显然，必须有一些 makePerson 可以实例化的从 IPerson 派生的 concrete class（具体类）。

假设这个 class（类）叫做 CPerson。作为一个 concrete class（具体类），CPerson 必须提供它从 IPerson 继承来的 pure virtual functions（纯虚拟函数）的 implementations（实现）。它可以从头开始写，但利用包含大多数或全部必需品的现有组件更好一些。例如，假设一个老式的 database-specific class（老式的数据库专用类）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
  ...
};

你可以看出这是一个老式的 class（类），因为 member functions（成员函数）返回 const char*s 而不是 string objects（对象）。尽管如此，如果鞋子合适，为什么不穿呢？这个 class（类）的 member functions（成员函数）的名字暗示结果很可能会非常合适。

你突然发现 PersonInfo 是设计用来帮助以不同的格式打印 database fields（数据库字段）的，每一个字段的值的开始和结尾通过指定的字符串定界。缺省情况下，字段值开始和结尾定界符是方括号，所以字段值 "Ring-tailed Lemur" 很可能被安排成这种格式：

[Ring-tailed Lemur]

根据方括号并非满足 PersonInfo 的全体客户的期望的事实，virtual functions（虚拟函数）valueDelimOpen 和 valueDelimClose 允许 derived classes（派生类）指定它们自己的开始和结尾定界字符串。PersonInfo 的 member functions（成员函数）的 implementations（实现）调用这些 virtual functions（虚拟函数）在它们返回的值上加上适当的定界符。作为一个例子使用 PersonInfo::theName，代码如下：

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;
}

有人可能会质疑 PersonInfo::theName 的陈旧的设计（特别是一个 fixed-size static buffer（固定大小静态缓冲区）的使用，这样的东西发生 overrun（越界）和 threading（线程）问题是比较普遍的——参见 Item 21），但是请把这样的问题放到一边而注意这里：theName 调用 valueDelimOpen 生成它要返回的 string（字符串）的开始定界符，然后它生成名字值本身，然后它调用 valueDelimClose。

因为 valueDelimOpen 和 valueDelimClose 是 virtual functions（虚拟函数），theName 返回的结果不仅依赖于 PersonInfo，也依赖于从 PersonInfo 派生的 classes（类）。

对于 CPerson 的实现者，这是好消息，因为当细读 IPerson documentation（文档）中的 fine print（晦涩的条文）时，你发现 name 和 birthDate 需要返回未经修饰的值，也就是，不允许有定界符。换句话说，如果一个人的名字叫 Homer，对那个人的 name 函数的一次调用应该返回 "Homer"，而不是 "[Homer]"。

CPerson 和 PersonInfo 之间的关系是 PersonInfo 碰巧有一些函数使得 CPerson 更容易实现。这就是全部。因而它们的关系就是 is-implemented-in-terms-of，而我们知道有两种方法可以表现这一点：经由 composition（复合）（参见 Item 38）和经由 private inheritance（私有继承）（参见 Item 39）。Item 39 指出 composition（复合）是通常的首选方法，但如果 virtual functions（虚拟函数）要被重定义，inheritance（继承）就是必不可少的。在当前情况下，CPerson 需要重定义 valueDelimOpen 和 valueDelimClose，所以简单的 composition（复合）做不到。最直截了当的解决方案是让 CPerson 从 PersonInfo privately inherit（私有继承），虽然 Item 39 说过只要多做一点工作，则 CPerson 也能用 composition（复合）和 inheritance（继承）的组合有效地重定义 PersonInfo 的 virtuals（虚拟函数）。这里，我们用 private inheritance（私有继承）。

但是 CPerson 还必须实现 IPerson interface（接口），而这被称为 public inheritance（公有继承）。这就引出一个 multiple inheritance（多继承）的合理应用：组合 public inheritance of an interface（一个接口的公有继承）和 private inheritance of an implementation（一个实现的私有继承）：

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
};

在 UML 中，这个设计看起来像这样：

这个例子证明 MI 既是有用的，也是可理解的。

时至今日，multiple inheritance（多继承）不过是 object-oriented toolbox（面向对象工具箱）里的又一种工具而已，典型情况下，它的使用和理解更加复杂，所以如果你得到一个或多或少等同于一个 MI 设计的 SI 设计，则 SI 设计总是更加可取。如果你能拿出来的仅有的设计包含 MI，你应该更加用心地考虑一下——总会有一些方法使得 SI 也能做到。但同时，MI 有时是最清晰的，最易于维护的，最合理的完成工作的方法。在这种情况下，毫不畏惧地使用它。只是要确保谨慎地使用它。

Things to Remember

multiple inheritance（多继承）比 single inheritance（单继承）更复杂。它能导致新的歧义问题和对 virtual inheritance（虚拟继承）的需要。
virtual inheritance（虚拟继承）增加了 size（大小）和 speed（速度）成本，以及 initialization（初始化）和 assignment（赋值）的复杂度。当 virtual base classes（虚拟基类）没有数据时它是最适用的。
multiple inheritance（多继承）有合理的用途。一种方案涉及组合从一个 Interface class（接口类）的 public inheritance（公有继承）和从一个有助于实现的 class（类）的 private inheritance（私有继承）。