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C++私有繼承與EBO深入分析講解

更新時(shí)間：2022年08月15日 14:24:00 作者：fl2011sx

這篇文章主要介紹了C++私有繼承，在私有繼承當(dāng)中，基類的公有成員和保護(hù)成員都會成為派生類的私有成員。這意味著基類的方法都會被private關(guān)鍵字描述，我們可以在派生類中使用它，但類對象無法直接調(diào)用，下面來看看詳細(xì)內(nèi)容吧

不知道你有沒有跟他一樣的困惑。的確，我們在編寫C++項(xiàng)目中，幾乎是沒有用過私有繼承（這里包括protected繼承和private繼承），都是清一色的public繼承。有的老師干脆直接告訴學(xué)生，你見到繼承就是public，其他那倆是歷史原因，當(dāng)它不存在就好了。

這種說法呢，其實(shí)也有一定道理，但也不全對。對的部分在于：C++中，確實(shí)只有public繼承才表示的OOP理論中的“繼承”，而私有繼承其實(shí)對應(yīng)的是OOP理論中的“組合”關(guān)系，所以說“見到繼承就寫public”這話其實(shí)沒毛病。然而不對的部分在于：私有繼承是為了解決某些性能問題而存在的，我們知道通常表示組合的做法是成員對象，但在某些極端情況下，成員對象會出現(xiàn)一些性能問題，這時(shí)我們不得不用私有繼承來代替。

私有繼承本質(zhì)不是繼承

在此強(qiáng)調(diào)，這個(gè)標(biāo)題中，第一個(gè)“繼承”指的是一種C++語法，也就是class A : B {};這種寫法。而第二個(gè)“繼承”指的是OOP（面向?qū)ο缶幊蹋┑睦碚?，也就是A is a B的抽象關(guān)系，類似于“狗”繼承自“動物”的這種關(guān)系。

所以我們說，私有繼承本質(zhì)是表示組合的，而不是繼承關(guān)系，要驗(yàn)證這個(gè)說法，只需要做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)即可。我們知道最能體現(xiàn)繼承關(guān)系的應(yīng)該就是多態(tài)了，如果父類指針能夠指向子類對象，那么即可實(shí)現(xiàn)多態(tài)效應(yīng)。

請看下面的例程：

class Base {};
class A : public Base {};
class B : private Base {};
class C : protected Base {};
void Demo() {
  A a;
  B b;
  C c;
  Base *p = &a; // OK
  p = &b; // ERR
  p = &c; // ERR
}

這里我們給Base類分別編寫了A、B、C三個(gè)子類，分別是public、private個(gè)protected繼承。然后用Base *類型的指針去分別指向a、b、c。發(fā)現(xiàn)只有public繼承的a對象可以用p直接指向，而b和c都會報(bào)這樣的錯(cuò)：

Cannot cast 'B' to its private base class 'Base'
Cannot cast 'C' to its protected base class 'Base'

也就是說，私有繼承是不支持多態(tài)的，那么也就印證了，他并不是OOP理論中的“繼承關(guān)系”，但是，由于私有繼承會繼承成員變量，也就是可以通過b和c去使用a的成員，那么其實(shí)這是一種組合關(guān)系?；蛘撸蠹铱梢岳斫鉃?，把b.a.member改寫成了b.A::member而已。

那么私有繼承既然是用來表示組合關(guān)系的，那我們?yōu)槭裁床恢苯佑贸蓡T對象呢？為什么要使用私有繼承？這是因?yàn)橛贸蓡T對象在某種情況下是有缺陷的。

空類大小

在解釋私有繼承的意義之前，我們先來看一個(gè)問題，請看下面例程

class T {};
// sizeof(T) = ?

T是一個(gè)空類，里面什么都沒有，那么這時(shí)T的大小是多少？有的同學(xué)可能不假思索就會回答0。照理說，空類的大小就是應(yīng)該是0，但如果真的設(shè)置為0的話，會有很嚴(yán)重的副作用，請看例程：

class T {};
void Demo() {
  T arr[10];
  sizeof(arr); // 0
  T *p = arr + 5;
  // 此時(shí)p==arr
  p++; // ++其實(shí)無效
}

發(fā)現(xiàn)了嗎？假如T的大小是0，那么T指針的偏移量就永遠(yuǎn)是0，T類型的數(shù)組大小也將是0，而如果它成為了一個(gè)成員的話，問題會更嚴(yán)重：

struct Test {
  T t;
  int a;
};
// t和a首地址相同

由于T是0大小，那么此時(shí)Test結(jié)構(gòu)體中，t和a就會在同一首地址。

所以，為了避免這種0長的問題，編譯器會針對于空類自動補(bǔ)一個(gè)字節(jié)的大小，也就是說其實(shí)sizeof(T)是1，而不是0。

這里需要注意的是，不僅是絕對的空類會有這樣的問題，只要是不含有非靜態(tài)成員變量的類都有同樣的問題，例如下面例程中的幾個(gè)類都可以認(rèn)為是空類：

class A {};
class B {
  static int m1;
  static int f();
};
class C {
public:
  C();
  ~C();
  void f1();
  double f2(int arg) const;
};

有了自動補(bǔ)1字節(jié)，T的長度變成了1，那么T*的偏移量也會變成1，就不會出現(xiàn)0長的問題。但是，這么做就會引入另一個(gè)問題，請看例程：

class Empty {};
class Test {
  Empty m1;
  long m2;
};
// sizeof(Test)==16

由于Empty是空類，編譯器補(bǔ)了1字節(jié)，所以此時(shí)m1是1字節(jié)，而m2是8字節(jié)，m1之后要進(jìn)行字節(jié)對齊，因此Test變成了16字節(jié)。如果Test中出現(xiàn)了很多空類成員，這種問題就會被繼續(xù)放大。

這就是用成員對象來表示組合關(guān)系時(shí)，可能會出現(xiàn)的問題，而私有繼承就是為了解決這個(gè)問題的。

空基類成員壓縮

（EBO，Empty Base Class Optimization）

在上一節(jié)最后的歷程中，為了讓m1不再占用空間，但又能讓Test中繼承Empty類的其他內(nèi)容（例如函數(shù)、類型重定義等），我們考慮將其改為繼承來實(shí)現(xiàn)，EBO就是說，當(dāng)父類為空類的時(shí)候，子類中不會再去分配父類的空間，也就是說這種情況下編譯器不會再去補(bǔ)那1字節(jié)了，節(jié)省了空間。

但如果使用public繼承會怎么樣？

class Empty {};
class Test : public Empty {
  long m2;
};
// 假如這里有一個(gè)函數(shù)讓傳Empty類對象
void f(const Empty &obj) {}
// 那么下面的調(diào)用將會合法
void Demo() {
  Test t;
  f(t); // OK
}

Test由于是Empty的子類，所以會觸發(fā)多態(tài)性，t會當(dāng)做Empty類型傳入f中。這顯然問題很大呀！如果用這個(gè)例子看不出問題的話，我們換一個(gè)例子：

class Alloc {
public:
  void *Create();
  void Destroy();
};
class Vector : public Alloc {
};
// 這個(gè)函數(shù)用來創(chuàng)建buffer
void CreateBuffer(const Alloc &alloc) {
  void *buffer = alloc.Create(); // 調(diào)用分配器的Create方法創(chuàng)建空間
}
void Demo() {
  Vector ve; // 這是一個(gè)容器
  CreateBuffer(ve); // 語法上是可以通過的，但是顯然不合理
}

內(nèi)存分配器往往就是個(gè)空類，因?yàn)樗惶峁┮恍┓椒ǎ惶峁┚唧w成員。Vector是一個(gè)容器，如果這里用public繼承，那么容器將成為分配器的一種，然后調(diào)用CreateBuffer的時(shí)候可以傳一個(gè)容器進(jìn)去，這顯然很不合理呀！

那么此時(shí)，用私有繼承就可以完美解決這個(gè)問題了

class Alloc {
public:
  void *Create();
  void Destroy();
};
class Vector : private Alloc {
private:
  void *buffer;
  size_t size;
  // ...
};
// 這個(gè)函數(shù)用來創(chuàng)建buffer
void CreateBuffer(const Alloc &alloc) {
  void *buffer = alloc.Create(); // 調(diào)用分配器的Create方法創(chuàng)建空間
}
void Demo() {
  Vector ve; // 這是一個(gè)容器
  CreateBuffer(ve); // ERR，會報(bào)錯(cuò)，私有繼承關(guān)系不可觸發(fā)多態(tài)
}

此時(shí)，由于私有繼承不可觸發(fā)多態(tài)，那么Vector就并不是Alloc的一種，也就是說，從OOP理論上來說，他們并不是繼承關(guān)系。而由于有了私有繼承，在Vector中可以調(diào)用Alloc里的方法以及類型重命名，所以這其實(shí)是一種組合關(guān)系。

而又因?yàn)镋BO，所以也不用擔(dān)心Alloc占用Vector的成員空間的問題。