条款43: 明智地使用多继承
条款43: 明智地使用多继承
要看是谁来说，多继承（MI）要么被认为是神来之笔，要么被当成是魔鬼的造物。支持者宣扬说，它是对真实世界问题进行自然模型化所必需的；而批评者争论说，它太慢，难以实现，功能却不比单继承强大。更让人为难的是，面向对象编程语言领域在这个问题上至今仍存在分歧：C++，Eiffel和the Common LISP Object System (CLOS)提供了MI；Smalltalk，Objective C和Object Pascal没有提供；而Java只是提供有限的支持。可怜的程序员该相信谁呢？
在相信任何事情之前，首先得弄清事实。C++中，关于MI一条不容争辩的事实是，MI的出现就象打开了潘朵拉的盒子，带来了单继承中绝对不会存在的复杂性。其中，最基本的一条是二义性（参见条款26）。如果一个派生类从多个基类继承了一个成员名，所有对这个名字的访问都是二义的；你必须明确地说出你所指的是哪个成员。下面的例子取自ARM（参见条款50）中的一个专题讨论：
class Lottery {
public:
virtual int draw();
...
};
class GraphicalObject {
public:
virtual int draw();
...
};
class LotterySimulation: public Lottery,
public GraphicalObject {
... // 没有声明draw
};
LotterySimulation *pls = new LotterySimulation;
pls->draw(); // 错误! ---- 二义
pls->Lottery::draw(); // 正确
pls->GraphicalObject::draw(); // 正确
这段代码看起来很笨拙，但起码可以工作。遗憾的是，想避免这种笨拙很难。即使其中一个被继承的draw函数是私有成员从而不能被访问，二义还是存在。（对此有一个很好的理由来解释，但完整的说明在条款26中提供，所以此处不再重复。）
显式地限制修饰成员不仅很笨拙，而且还带来限制。当显式地用一个类名来限制修饰一个虚函数时，函数的行为将不再具有虚拟的特征。相反，被调用的函数只能是你所指定的那个，即使调用是作用在派生类的对象上：
class SpecialLotterySimulation: public LotterySimulation {
public:
virtual int draw();
...
};
pls = new SpecialLotterySimulation;
pls->draw(); // 错误! ---- 还是有二义
pls->Lottery::draw(); // 调用Lottery::draw
pls->GraphicalObject::draw(); // 调用GraphicalObject::draw
注意，在这种情况下，即使pls指向的是SpecialLotterySimulation对象，也无法（没有 "向下转换" ---- 参见条款39）调用这个类中定义的draw函数。
没完，还有呢。Lottery和GraphicalObject中的draw函数都被声明为虚函数，所以子类可以重新定义它们（见条款36），但如果LotterySimulation想对二者都重新定义那该怎么办？令人沮丧的是，这不可能，因为一个类只允许有唯一一个没有参数、名称为draw的函数。（这个规则有个例外，即一个函数为const而另一个不是的时候 ---- 见条款21）
从某一方面来说，这个问题很严重，严重到足以成为修改C++语言的理由。ARM中就讨论了一种可能，即，允许被继承的虚函数可以 "改名" ；但后来又发现，可以通过增加一对新类来巧妙地避开这个问题：
class AuxLottery: public Lottery {
public:
virtual int lotteryDraw() = 0;
virtual int draw() { return lotteryDraw(); }
};
class AuxGraphicalObject: public GraphicalObject {
public:
virtual int graphicalObjectDraw() = 0;
virtual int draw() { return graphicalObjectDraw(); }
};
class LotterySimulation: public AuxLottery,
public AuxGraphicalObject {
public:
virtual int lotteryDraw();
virtual int graphicalObjectDraw();
...
};
这两个新类， AuxLottery和AuxGraphicalObject，本质上为各自继承的draw函数声明了新的名字。新名字以纯虚函数的形式提供，本例中即lotteryDraw和graphicalObjectDraw；函数是纯虚拟的，所以具体的子类必须重新定义它们。另外，每个类都重新定义了继承而来的draw函数，让它们调用新的纯虚函数。最终效果是，在这个类体系结构中，有二义的单个名字draw被有效地分成了无二义但功能等价的两个名字：lotteryDraw和graphicalObjectDraw：
LotterySimulation *pls = new LotterySimulation;
Lottery *pl = pls;
GraphicalObject *pgo = pls;
// 调用LotterySimulation::lotteryDraw
pl->draw();
// 调用LotterySimulation::graphicalObjectDraw
pgo->draw();
这是一个集纯虚函数，简单虚函数和内联函数（参见条款33）综合应用之大成的方法，值得牢记在心。首先，它解决了问题，这个问题说不定哪天你就会碰到。其次，它可以提醒你，使用多继承会导致复杂性。是的，这个方法解决了问题，但仅仅为了重新定义一个虚函数而不得不去引入新的类，你真的愿意这样做吗？AuxLottery和AuxGraphicalObject类对于保证类层次结构的正确运转是必需的，但它们既不对应于问题范畴（problem domain ）的某个抽象，也不对应于实现范畴（implementation domain）的某个抽象。它们单纯是作为一种实现设备而存在，再没有别的用处。你一定知道，好的软件是 "设备无关" 的，这条法则在此也适用。
将来使用MI还会面临更多的问题，二义性问题（尽管有趣）只不过是刚开始。另一个问题基于这样一个实践经验：一个起初象下面这样的继承层次结构：
class B { ... };
class C { ... };
class D: public B, public C { ... };
B C
\ /
\ /
\/
D
往往最后悲惨地发展成象下面这样：
class A { ... };
class B : virtual public A { ... };
class C : virtual public A { ... };
class D: public B, public C { ... };
A
/\
/ \
/ \
B C
\ /
\ /
\/
D
钻石可能是女孩最好的朋友，也许不是；但肯定的是，象这样一种钻石形状的继承结构绝对不可能成为我们的朋友。如果创建了象这样的层次结构，就会立即面临这样一个问题：是不是该让A成为虚基类呢？即，从A的继承是否应该是虚拟的呢？现实中，答案几乎总是 ---- 应该；只有极少数情况下会想让类型D的对象包含A的数据成员的多个拷贝。正是认识到这一事实，上面的B和C将A声明为虚基类。
遗憾的是，在定义B和C的时候，你可能不知道将来是否会有类去同时继承它们，而且知不知道这一点实际上对正确地定义这两个类没有必要。对类的设计者来说，这实在是进退两难。如果不将A声明为B和C的虚基类，今后D的设计者就有可能需要修改B和C的定义，以便更有效地使用它们。通常，这很难做到，因为A，B和C的定义往往是只读的。例如这样的情况：A，B和C在一个库中，而D由库的用户来写。
另一方面，如果真的将A声明为B和C的虚基类，往往会在空间和时间上强加给用户额外的开销。因为虚基类常常是通过对象指针来实现的，并非对象本身。自不必说，内存中对象的分布是和编译器相关的，但一条不变的事实是：如果A作为 "非虚" 基类，类型D的对象在内存中的分布通常占用连续的内存单元；如果A作为 "虚" 基类，有时，类型D的对象在内存中的分布占用连续的内存单元，但其中两个单元包含的是指针，指向包含虚基类数据成员的内存单元：
A是非虚基类时D对象通常的内存分布：
A部分+ B部分+ A部分 + C部分 + D部分
A是虚基类时D对象在某些编译器下的内存分布：
------------------------------------------------
| |
| +
B部分 + 指针 + C部分 + 指针 + D部分 + A部分
| +
| |
------------------------
即使编译器不采用这种特殊的实现策略，使用虚继承通常也会带来某种空间上的惩罚。
考虑到这些因素，看来，在进行高效的类设计时如果涉及到MI，作为库的设计者就要具有超凡的远见。然而现在的年代，常识都日益成为了稀有品，因而你会不明智地过多依赖于语言特性，这就不仅要求设计者能够预计得到未来的需要，而且简直就是要你做到彻底的先知先觉（参见条款M32）。
当然，这也可以说成是在虚函数和非虚函数间选择，但还是有重大的不同。条款36说明，虚函数具有定义明确的高级含义，非虚函数也同样具有定义明确的高级含义，而且它们的含义有显著的不同，所以在清楚自己想对子类的设计者传达什么含义的基础上，在二者之间作出选择是可能的。但是，决定基类是否应该是虚拟的，则缺乏定义明确的高级含义；相反，决定通常取决于整个继承的层次结构，所以除非知道了整个层次结构，否则无法做出决定。如果正确地定义出个类之前需要清楚地知道将来怎么使用它，这种情况下将很难设计出高效的类。
就算避开了二义性问题，并且解决了是否应该从基类虚拟继承的疑问，还是会有许多复杂性问题等着你。为了长话短说，在此我仅提出应该记住的其它两点：
· 向虚基类传递构造函数参数。非虚继承时，基类构造函数的参数是由紧临的派生类的成员初始化列表指定的。因为单继承的层次结构只需要非虚基类，继承层次结构中参数的向上传递采用的是一种很自然的方式：第n层的类将参数传给第n-1层的类。但是，虚基类的构造函数则不同，它的参数是由继承结构中最底层派生类的成员初始化列表指定的。这就造成，负责初始化虚基类的那个类可能在继承图中和它相距很远；如果有新类增加到继承结构中，执行初始化的类还可能改变。（避免这个问题的一个好办法是：消除对虚基类传递构造函数参数的需要。最简单的做法是避免在这样的类中放入数据成员。这本质上是Java的解决之道：Java中的虚基类（即，"接口"）禁止包含数据）
· 虚函数的优先度。就在你自认为弄清了所有的二义之时，它们却又在你面前摇身一变。再次看看关于类A，B，C和D的钻石形状的继承图。假设A定义了一个虚成员函数mf，C重定义了它；B和D则没有重定义mf：
A virtual void mf();
/\
/ \
/ \
B C virtual void mf();
\ /
\ /
\/
D
根据以前的讨论，你会认为下面有二义：
D *pd = new D;
pd->mf(); // A::mf或者C::mf?
该为D的对象调用哪个mf呢，是直接从C继承的还是间接（通过B）从A继承的那个呢？答案取决于B和C如何从A继承。具体来说，如果A是B或C的非虚基类，调用具有二义性；但如果A是B和C的虚基类，就可以说C中mf的重定义优先度高于最初A中的定义，因而通过pd对mf的调用将（无二义地）解析为C::mf。如果你坐下来仔细想想，这正是你想要的行为；但需要坐下仔细想想才能弄懂，也确实是一种痛苦。
也许至此你会承认MI确实会导致复杂化。也许你认识到每个人其实都不想使用它。也许你准备建议国际C++标准委员会将多继承从语言中去掉；或者至少你想向你的老板建议，全公司的程序员都禁止使用它。
也许你太性急了。
请记住，C++的设计者并没有想让多继承难以使用；恰恰是，想让一切都能以更合理的方式协调工作，这本身会带来某些复杂性。上面的讨论中你会注意到，这些复杂性很多是由于使用虚基类引起的。如果能避免使用虚基类 ---- 即，如果能避免产生那种致命的钻石形状继承图 ---- 事情就好处理多了。
例如，条款34中讲到，协议类（Protocol class）的存在仅仅是为派生类制定接口；它没有数据成员，没有构造函数，有一个虚析构函数（参见条款14），有一组用来指定接口的纯虚函数。一个Person协议类看起来象下面这样：
class Person {
public:
virtual ~Person();
virtual string name() const = 0;
virtual string birthDate() const = 0;
virtual string address() const = 0;
virtual string nationality() const = 0;
};
这个类的用户在编程时必须使用Person的指针或引用，因为抽象类不能被实例化。
为了创建 "可以作为Person对象而使用" 的对象，Person的用户使用工厂函数（factory function，参见条款34）来实例化具体的子类：
// 工厂函数，从一个唯一的数据库ID
// 创建一个Person对象
Person * makePerson(DatabaseID personIdentifier);
DatabaseID askUserForDatabaseID();
DatabaseID pid = askUserForDatabaseID();
Person *pp = makePerson(pid); // 创建支持Person
// 接口的对象
... // 通过Person的成员函数
// 操作*pp
delete pp; // 删除不再需要的对象
这就带来一个问题：makePerson返回的指针所指向的对象如何创建呢？显然，必须从Person派生出某种具体类，使得makePerson可以对其进行实例化。
假设这个类被称为MyPerson。作为一个具体类，MyPerson必须实现从Person继承而来的纯虚函数。这可以从零做起，但如果已经存在一些组件可以完成大多数或全部所需的工作，那么从软件工程的角度来说，能利用这些组件将再好不过。例如，假设已经有一个和数据库有关的旧类PersonInfo，它提供的功能正是MyPerson所需要的：
class PersonInfo {
public:
PersonInfo(DatabaseID pid);
virtual ~PersonInfo();
virtual const char * theName() const;
virtual const char * theBirthDate() const;
virtual const char * theAddress() const;
virtual const char * theNationality() const;
virtual const char * valueDelimOpen() const; // 看下文
virtual const char * valueDelimClose() const;
...
};
可以断定这是一个很旧的类，因为它的成员函数返回的是const char*而不是string对象。但是，如果鞋合脚，为什么不穿呢？这个类的成员函数名暗示，这双鞋穿上去会很舒服。
随之你会发现，当初设计PersonInfo是用来方便地以各种不同格式打印数据库字段，每个字段值的开头和结尾用特殊字符串分开。默认情况下，字段值的起始分隔符和结束分隔符为括号，所以字段值 "Ring-tailed Lemur" 将会这样被格式化：
[Ring-tailed Lemur]
因为括号不是所有PersonInfo的用户都想要的，虚函数valueDelimOpen和valueDelimClose允许派生类指定它们自己的起始分隔符和结束分隔符。PersonInfo类的theName，theBirthDate，theAddress以及theNationality的实现将调用这两个虚函数，在它们的返回值中添加适当的分隔符。拿PersonInfo::name作为例子，代码看起来象这样：
const char * PersonInfo::valueDelimOpen() const
{
return "["; // 默认起始分隔符
}
const char * PersonInfo::valueDelimClose() const
{
return "]"; // 默认结束分隔符
}
const char * PersonInfo::theName() const
{
// 为返回值保留缓冲区。因为是静态
// 类型，它被自动初始化为全零。
static char value[MAX_FORMATTED_FIELD_VALUE_LENGTH];
// 写起始分隔符
strcpy(value, valueDelimOpen());
将对象的名字字段值添加到字符串中
// 写结束分隔符
strcat(value, valueDelimClose());
return value;
}
有些人会挑剔PersonInfo::theName的设计（特别是使用了固定大小的静态缓冲区 ---- 参见条款23），但请将你的挑剔放在一边，关注这一点：首先，theName调用valueDelimOpen，生成它将要返回的字符串的起始分隔符；然后，生成名字值本身；最后，调用valueDelimClose。因为valueDelimOpen和valueDelimClose是虚函数，theName返回的结果既依赖于PersonInfo，也依赖于从PersonInfo派生的类。
作为MyPerson的实现者，这是条好消息，因为在研读Person文档的细则时你发现，name及其相关函数需要返回的是不带修饰的值，即，不允许带分隔符。也就是说，如果一个人来自Madagascar，调用这个人的nationality函数将返回"Madagascar"，而不是 "[Madagascar]"。
MyPerson和PersonInfo之间的关系是，PersonInfo刚好有些函数使得MyPerson易于实现。仅次而已。没看到有 "是一个" 或 "有一个" 的关系。它们的关系是 "用...来实现"，而且我们知道，这可以用两种方式来表示：通过分层（见条款40）和通过私有继承（见条款42）。条款42指出，分层一般来说是更好的方法，但在有虚函数要被重新定义的情况下，需要使用私有继承。现在的情况是，MyPerson需要重新定义valueDelimOpen和valueDelimClose，所以不能用分层，而必须用私有继承：MyPerson必须从PersonInfo私有继承。
但MyPerson还必须实现Person接口，因而需要公有继承。这导致了多继承一个很合理的应用：将接口的公有继承和实现的私有继承结合起来：
class Person { // 这个类指定了
public: // 需要被实现
virtual ~Person(); // 的接口
virtual string name() const = 0;
virtual string birthDate() const = 0;
virtual string address() const = 0;
virtual string nationality() const = 0;
};
class DatabaseID { ... }; // 被后面的代码使用；
// 细节不重要
class PersonInfo { // 这个类有些有用
public: // 的函数，可以用来
PersonInfo(DatabaseID pid); // 实现Person接口
virtual ~PersonInfo();
virtual const char * theName() const;
virtual const char * theBirthDate() const;
virtual const char * theAddress() const;
virtual const char * theNationality() const;
virtual const char * valueDelimOpen() const;
virtual const char * valueDelimClose() const;
...
};
class MyPerson: public Person, // 注意，使用了
private PersonInfo { // 多继承
public:
MyPerson(DatabaseID pid): PersonInfo(pid) {}
// 继承来的虚分隔符函数的重新定义
const char * valueDelimOpen() const { return ""; }
const char * valueDelimClose() const { return ""; }
// 所需的Person成员函数的实现
string name() const
{ return PersonInfo::theName(); }
string birthDate() const
{ return PersonInfo::theBirthDate(); }
string address() const
{ return PersonInfo::theAddress(); }
string nationality() const
{ return PersonInfo::theNationality(); }
};
用图形表示，看起来象下面这样：
Person PersonInfo
\ /
\ /
\/
MyPerson
这种例子证明，MI会既有用又易于理解，尽管可怕的钻石形状继承图不会明显消失。
然而，必须当心诱惑。有时你会掉进这样的陷阱中：对某个需要改动的继承层次结构来说，本来用一个更基本的重新设计可以更好，但你却为了追求速度而去使用MI。例如，假设为可以活动的卡通角色设计一个类层次结构。至少从概念上来说，让各种角色能跳舞唱歌将很有意义，但每一种角色执行这些动作时方式都不一样。另外，跳舞唱歌的缺省行为是什么也不做。
所有这些用C++来表示就象这样：
class CartoonCharacter {
public:
virtual void dance() {}
virtual void sing() {}
};
虚函数自然地体现了这样的约束：唱歌跳舞对所有CartoonCharacter对象都有意义。什么也不做的缺省行为通过类中那些函数的空定义来表示（参见条款36）。假设有一个特殊类型的卡通角色是蚱蜢，它以自己特殊的方式跳舞唱歌：
class Grasshopper: public CartoonCharacter {
public:
virtual void dance(); // 定义在别的什么地方
virtual void sing(); // 定义在别的什么地方
};
现在假设，在实现了Grasshopper类后，你又想为蟋蟀增加一个类：
class Cricket: public CartoonCharacter {
public:
virtual void dance();
virtual void sing();
};
当坐下来实现Cricket类时，你意识到，为Grasshopper类所写的很多代码可以重复使用。但这需要费点神，因为要到各处去找出蚱蜢和蟋蟀唱歌跳舞的不同之处。你猛然间想出了一个代码复用的好办法：你准备用Grasshopper类来实现Cricket类，你还准备使用虚函数以使Cricket类可以定制Grasshopper的行为。
你立即认识到这两个要求 ---- "用...来实现" 的关系，以及重新定义虚函数的能力 ---- 意味着Cricket必须从Grasshopper私有继承，但蟋蟀当然还是一个卡通角色，所以你通过同时从Grasshopper和CartoonCharacter继承来重新定义Cricket：
class Cricket: public CartoonCharacter,
private Grasshopper {
public:
virtual void dance();
virtual void sing();
};
然后准备对Grasshopper类做必要的修改。特别是，需要声明一些新的虚函数让Cricket重新定义：
class Grasshopper: public CartoonCharacter {
public:
virtual void dance();
virtual void sing();
protected:
virtual void danceCustomization1();
virtual void danceCustomization2();
virtual void singCustomization();
};
蚱蜢跳舞现在被定义成象这样：
void Grasshopper::dance()
{
执行共同的跳舞动作;
danceCustomization1();
执行更多共同的跳舞动作;
danceCustomization2();
执行最后共同的跳舞动作;
}
蚱蜢唱歌的设计与此类似。
很明显，Cricket类必须修改一下，因为它必须重新定义新的虚函数：
class Cricket:public CartoonCharacter,
private Grasshopper {
public:
virtual void dance() { Grasshopper::dance(); }
virtual void sing() { Grasshopper::sing(); }
protected:
virtual void danceCustomization1();
virtual void danceCustomization2();
virtual void singCustomization();
};
这看来很不错。当需要Cricket对象去跳舞时，它执行Grasshopper类中共同的dance代码，然后执行Cricket类中定制的dance代码，接着继续执行Grasshopper::dance中的代码，等等。
然而，这个设计中有个严重的缺陷，这就是，你不小心撞上了 "奥卡姆剃刀" ---- 任何一种奥卡姆剃刀都是有害的思想，William of Occam的尤其如此。奥卡姆者鼓吹：如果没有必要，就不要增加实体。现在的情况下，实体就是指的继承关系。如果你相信多继承比单继承更复杂的话（我希望你相信），Cricket类的设计就没必要复杂。（译注：1) William of Occam(1285-1349)，英国神学家，哲学家。2) 奥卡姆剃刀(Occam's razor)是一种思想，主要由William of Occam提出。之所以将它称为 "奥卡姆剃刀"，是因为William of Occam经常性地、很锐利地运用这一思想。）
问题的根本之处在于，Cricket类和Grasshopper类之间并非 "用...来实现" 的关系。而是，Cricket类和Grasshopper类之间享有共同的代码。特别是，它们享有决定唱歌跳舞行为的代码 ---- 蚱蜢和蟋蟀都有这种共同的行为。
说两个类具有共同点的方式不是让一个类从另一个类继承，而是让它们都从一个共同的基类继承，蚱蜢和蟋蟀之间的公共代码不属于Grasshopper类，也不属于Cricket，而是属于它们共同的新的基类，如，Insect:
class CartoonCharacter { ... };
class Insect: public CartoonCharacter {
public:
virtual void dance(); // 蚱蜢和蟋蟀
virtual void sing(); // 的公共代码
protected:
virtual void danceCustomization1() = 0;
virtual void danceCustomization2() = 0;
virtual void singCustomization() = 0;
};
class Grasshopper: public Insect {
protected:
virtual void danceCustomization1();
virtual void danceCustomization2();
virtual void singCustomization();
};
class Cricket: public Insect {
protected:
virtual void danceCustomization1();
virtual void danceCustomization2();
virtual void singCustomization();
};
CartoonCharacter
|
|
Insect
/\
/ \
/ \
Grasshopper Cricket
可以看到，这个设计更清晰。只是涉及到单继承，此外，只是用到了公有继承。Grasshopper和Cricket定义的只是定制功能；它们从Insect一点没变地继承了dance和sing函数。William of Occam一定会很骄傲。
尽管这个设计比采用了MI的那个方案更清晰，但初看可能会觉得比使用MI的还要逊色。毕竟，和MI的方案相比，这个单继承结构中引入了一个全新的类，而使用MI就不需要。如果没必要，为什么要引入一个额外的类呢？
这就将你带到了多继承诱人的本性面前。表面看来，MI好象使用起来更容易。它不需要增加新的类，虽然它要求在Grasshopper类中增加一些新的虚函数，但这些函数在任何情况下都是要增加的。
设想有个程序员正在维护一个大型C++类库，现在需要在库中增加一个新的类，就象Cricket类要被增加到现有的的CartoonCharacter/Grasshopper层次结构中一样。程序员知道，有大量的用户使用现有的层次结构，所以，库的变化越大，对用户的影响越大。程序员决心将这种影响降低到最小。对各种选择再三考虑之后，程序员认识到，如果增加一个从Grasshopper到Cricket的私有继承连接，层次结构中将不需要任何其它变化。程序员不禁因为这个想法露出了微笑，暗自庆幸今后可以大量地增加功能，而代价仅仅只是增加很小一点复杂性。
现在设想这个负责维护的程序员是你。那么，请抵御这一诱惑！