Question

C++还有另一种实现 has-a 关系的途径——私有继承。使用私有继承，基类的公有成员和保护成员都将成为派生类的私有成员。这意味着基类方法将不会成为派生对象公有接口的一部分，但可以在派生类的成员函数中使用它们。

下面更深入地探讨接口问题。使用公有继承，基类的公有方法将成为派生类的公有方法。总之，派生类将继承基类的接口；这是 is-a 关系的一部分。使用私有继承，基类的公有方法将成为派生类的私有方法。总之，派生类不继承基类的接口。正如从被包含对象中看到的，这种不完全继承是 has-a 关系的一部分。

使用私有继承，类将继承实现。例如，如果从 String 类派生出 Student 类，后者将有一个 String 类组件，可用于保存字符串。另外，Student 方法可以使用 String 方法来访问 String 组件。

包含将对象作为一个命名的成员对象添加到类中，而私有继承将对象作为一个未被命名的继承对象添加到类中。我们将使用术语子对象（subobject）来表示通过继承或包含添加的对象。

因此私有继承提供的特性与包含相同：获得实现，但不获得接口。所以，私有继承也可以用来实现 has-a 关系。接下来介绍如何使用私有继承来重新设计 Student 类。

14.2.1 Student 类示例（新版本）

要进行私有继承，请使用关键字 private 而不是 public 来定义类（实际上，private 是默认值，因此省略访问限定符也将导致私有继承）。Student 类应从两个类派生而来，因此声明将列出这两个类：

使用多个基类的继承被称为多重继承（multiple inheritance，MI）。通常，MI 尤其是公有 MI 将导致一些问题，必须使用额外的语法规则来解决它们，这将在本章后面介绍。但在这个示例中，MI 不会导致问题。

新的 Student 类不需要私有数据，因为两个基类已经提供了所需的所有数据成员。包含版本提供了两个被显式命名的对象成员，而私有继承提供了两个无名称的子对象成员。这是这两种方法的第一个主要区别。

1．初始化基类组件

隐式地继承组件而不是成员对象将影响代码的编写，因为再也不能使用 name 和 scores 来描述对象了，而必须使用用于公有继承的技术。例如，对于构造函数，包含将使这样的构造函数：

对于继承类，新版本的构造函数将使用成员初始化列表语法，它使用类名而不是成员名来标识构造函数：

在这里，ArrayDb 是 std::valarray<double>的别名。成员初始化列表使用 std::string(str)，而不是 name(str)。这是包含和私有继承之间的第二个主要区别。

程序清单 14.4 列出了新的类定义。唯一不同的地方是，省略了显式对象名称，并在内联构造函数中使用了类名，而不是成员名。

程序清单 14.4 studenti.h

2．访问基类的方法

使用私有继承时，只能在派生类的方法中使用基类的方法。但有时候可能希望基类工具是公有的。例如，在类声明中提出可以使用 average( ) 函数。和包含一样，要实现这样的目的，可以在公有 Student::average( ) 函数中使用私有 Student::Average( ) 函数（参见图 14.2）。包含使用对象来调用方法：

图 14.2 对象中的对象：私有继承

然而，私有继承使得能够使用类名和作用域解析运算符来调用基类的方法：

总之，使用包含时将使用对象名来调用方法，而使用私有继承时将使用类名和作用域解析运算符来调用方法。

3．访问基类对象

使用作用域解析运算符可以访问基类的方法，但如果要使用基类对象本身，该如何做呢？例如，Student 类的包含版本实现了 Name( ) 方法，它返回 string 对象成员 name；但使用私有继承时，该 string 对象没有名称。那么，Student 类的代码如何访问内部的 string 对象呢？

答案是使用强制类型转换。由于 Student 类是从 string 类派生而来的，因此可以通过强制类型转换，将 Student 对象转换为 string 对象；结果为继承而来的 string 对象。本书前面介绍过，指针 this 指向用来调用方法的对象，因此*this 为用来调用方法的对象，在这个例子中，为类型为 Student 的对象。为避免调用构造函数创建新的对象，可使用强制类型转换来创建一个引用：

上述方法返回一个引用，该引用指向用于调用该方法的 Student 对象中的继承而来的 string 对象。

4．访问基类的友元函数

用类名显式地限定函数名不适合于友元函数，这是因为友元不属于类。然而，可以通过显式地转换为基类来调用正确的函数。例如，对于下面的友元函数定义：

如果 plato 是一个 Student 对象，则下面的语句将调用上述函数，stu 将是指向 plato 的引用，而 os 将是指向 cout 的引用：

下面的代码：

显式地将 stu 转换为 string 对象引用，进而调用函数 operator<<(ostream &, const String &)。

引用 stu 不会自动转换为 string 引用。根本原因在于，在私有继承中，在不进行显式类型转换的情况下，不能将指向派生类的引用或指针赋给基类引用或指针。

然而，即使这个例子使用的是公有继承，也必须使用显式类型转换。原因之一是，如果不使用类型转换，下述代码将与友元函数原型匹配，从而导致递归调用：

另一个原因是，由于这个类使用的是多重继承，编译器将无法确定应转换成哪个基类，如果两个基类都提供了函数 operator<<( )。程序清单 14.5 列出了除内联函数之外的所有 Student 类方法。

程序清单 14.5 student.cpp

同样，由于这个示例也重用了 string 和 valarray 类的代码，因此除私有辅助方法外，它包含的新代码很少。

5．使用修改后的 Student 类

接下来也需要测试这个新类。注意到两个版本的 Student 类的公有接口完全相同，因此可以使用同一个程序测试它们。唯一不同的是，应包含 studenti.h 而不是 studentc.h，应使用 studenti.cpp 而不是 studentc.cpp 来链接程序。程序清单 14.6 列出列该程序，请将其与 studenti.cpp 一起编译。

程序清单 14.6 use_stui.cpp

下面是该程序的运行情况：

输入与前一个测试程序相同，输出也相同。

14.2.2 使用包含还是私有继承

由于既可以使用包含，也可以使用私有继承来建立 has-a 关系，那么应使用种方式呢？大多数 C++程序员倾向于使用包含。首先，它易于理解。类声明中包含表示被包含类的显式命名对象，代码可以通过名称引用这些对象，而使用继承将使关系更抽象。其次，继承会引起很多问题，尤其从多个基类继承时，可能必须处理很多问题，如包含同名方法的独立的基类或共享祖先的独立基类。总之，使用包含不太可能遇到这样的麻烦。另外，包含能够包括多个同类的子对象。如果某个类需要 3 个 string 对象，可以使用包含声明 3 个独立的 string 成员。而继承则只能使用一个这样的对象（当对象都没有名称时，将难以区分）。

然而，私有继承所提供的特性确实比包含多。例如，假设类包含保护成员（可以是数据成员，也可以是成员函数），则这样的成员在派生类中是可用的，但在继承层次结构外是不可用的。如果使用组合将这样的类包含在另一个类中，则后者将不是派生类，而是位于继承层次结构之外，因此不能访问保护成员。但通过继承得到的将是派生类，因此它能够访问保护成员。

另一种需要使用私有继承的情况是需要重新定义虚函数。派生类可以重新定义虚函数，但包含类不能。使用私有继承，重新定义的函数将只能在类中使用，而不是公有的。

提示：

通常，应使用包含来建立 has-a 关系；如果新类需要访问原有类的保护成员，或需要重新定义虚函数，则应使用私有继承。

14.2.3 保护继承

保护继承是私有继承的变体。保护继承在列出基类时使用关键字 protected：

使用保护继承时，基类的公有成员和保护成员都将成为派生类的保护成员。和私有私有继承一样，基类的接口在派生类中也是可用的，但在继承层次结构之外是不可用的。当从派生类派生出另一个类时，私有继承和保护继承之间的主要区别便呈现出来了。使用私有继承时，第三代类将不能使用基类的接口，这是因为基类的公有方法在派生类中将变成私有方法；使用保护继承时，基类的公有方法在第二代中将变成受保护的，因此第三代派生类可以使用它们。

表 14.1 总结了公有、私有和保护继承。隐式向上转换（implicit upcasting）意味着无需进行显式类型转换，就可以将基类指针或引用指向派生类对象。

表 14.1 各种继承方式

特征	公有继承	保护继承	私有继承
公有成员变成	派生类的公有成员	派生类的保护成员	派生类的私有成员
保护成员变成	派生类的保护成员	派生类的保护成员	派生类的私有成员
私有成员变成	只能通过基类接口访问	只能通过基类接口访问	只能通过基类接口访问
能否隐式向上转换	是	是（但只能在派生类中）	否

14.2.4 使用 using 重新定义访问权限

使用保护派生或私有派生时，基类的公有成员将成为保护成员或私有成员。假设要让基类的方法在派生类外面可用，方法之一是定义一个使用该基类方法的派生类方法。例如，假设希望 Student 类能够使用 valarray 类的 sum( ) 方法，可以在 Student 类的声明中声明一个 sum( ) 方法，然后像下面这样定义该方法：

这样 Student 对象便能够调用 Student::sum( )，后者进而将 valarray<double>::sum( ) 方法应用于被包含的 valarray 对象（如果 ArrayDb typedef 在作用域中，也可以使用 ArrayDb 而不是 std::valarray<double>）。

另一种方法是，将函数调用包装在另一个函数调用中，即使用一个 using 声明（就像名称空间那样）来指出派生类可以使用特定的基类成员，即使采用的是私有派生。例如，假设希望通过 Student 类能够使用 valarray 的方法 min( ) 和 max( )，可以在 studenti.h 的公有部分加入如下 using 声明：

上述 using 声明使得 valarray<double>::min( ) 和 valarray<double>::max( ) 可用，就像它们是 Student 的公有方法一样：

注意，using 声明只使用成员名——没有圆括号、函数特征标和返回类型。例如，为使 Student 类可以使用 valarray 的 operator 方法，只需在 Student 类声明的公有部分包含下面的 using 声明：

这将使两个版本（const 和非 const）都可用。这样，便可以删除 Student::operator[] ( ) 的原型和定义。using 声明只适用于继承，而不适用于包含。

有一种老式方式可用于在私有派生类中重新声明基类方法，即将方法名放在派生类的公有部分，如下所示：

这看起来像不包含关键字 using 的 using 声明。这种方法已被摒弃，即将停止使用。因此，如果编译器支持 using 声明，应使用它来使派生类可以使用私有基类中的方法。