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C++ protected 和 private 继承

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  C++ 的访问权限控制除了用在成员上,也可以用在继承上,但是 protected 和 private 继承似乎很少被用到,但并不是说 protected 和 private 继承就没有用。

  之前的文章 C++ 异常 - 容器和 std::vector 提到过 vector 的设计:vector 为了保证异常安全,内存分配过程是交给 vector_base 这个基类来负责的,vector_base 持有 vector 的全部成员,vector 本身只负责元素的分配。其中,vector_base 有一个成员 allocator,该成员默认为 std::allocator,std::allocator 是个无状态的分配器。

  而 C++ 规定一个对象必须有一个唯一的地址,换句话说虽然 std::allocator 虽然没有任何数据成员,但是仍然要占用至少一个字节的内存,虽然一个字节的开销看似不大,但是如果考虑内存对齐,则将导致需要占用 4 字节或者 8 字节。标准库中类似的容器数不胜数,在一个大型程序中可能存在成百上千个没任何意义的占用,此时开销将十分可观。

  为了解决这个问题,STL 的库设计者通常使用这种设计:将 allocator 设计为 vector_base 的基类。此时若 allocator 为无数据成员的 std::allocator,同时由于 无数据成员的基类可和派生类重叠,导致 std::allocator 的空间可以被优化掉,这种设计叫做空基类优化。

  但是,这又带来了另一个问题:继承具有多态性。若 vector_base 继承 allocator 的方式为 public,就代表着 vector_base 也是一个 allocator!如果一个函数的参数是 allocator 的引用,那么 vector_base 就可以做这个函数的参数,这 完全是不合理的

  此时,可以将 public 继承改为 protected 继承,此时若将 vector_base 传递给如上所述的函数,就会得到一个错误:vector_base 的基类不可访问,阻止了这种情况的发生。

  从继承的访问权限设计本身来说,public 表示了一种 is-a 的关系,如果该关系不是 is-a,那么就不适用于 public。

  虽然 vector_base 继承 allocator 是为了空基类优化,但是这种关系不止用于空基类优化:如果想通过继承几个基类实现一组复合功能,那么使用 public 继承有可能会导致二义性,此时就需要隐藏基类,复合类对基类进行二次包装。或者派生类本身就想对基类功能进行屏蔽,此时也不能使用 public 继承。换句话说,protected 和 private 继承, 表面是继承,实际是组合

  C++ 20 添加了 [[no_unique_address]] 属性,用于指示数据成员可以被覆盖,可以直接做到空基类优化的效果。

  [[no_unique_address]] 使此成员子对象潜在重叠,即允许此成员与其类的其他非静态数据成员或基类子对象重叠。这表示若该成员拥有空类型(例如无状态分配器),则编译器可将它优化为不占空间,正如同假如它是空基类一样。若该成员非空,则其中的任何尾随填充空间亦可复用于存储其他数据成员。

  多继承或是单一继承后又在头部声明空基类的成员,则适用 [[no_unique_address]] 而不适用空基类优化。

  类似的问题还发生在 std::tuple 的实现上:std::tuple 是使用递归式的继承实现的,每次继承添加一个数据成员。这代表着 std::tuple 如果使用 public 继承,同样具有多态性,这导致函数调用过程中可能存在潜在的元组类型转换:一个 tuple<int, float, char> 的对象能够被传递给参数为 tuple<float, char> 的引用/指针的函数,这是非常危险的。

  同样还是因为多态:若一个基类和一个派生类都实现了移动构造,且派生类 public 继承自基类,那么 就可以使用基类的移动构造去移动一个派生类,这将导致派生类的不变性被破坏。在派生类和基类同时非平凡析构的条件下,会造成错误的析构!

  using 声明可以将基类成员引入到派生类的定义中,例如将基类的受保护成员暴露为派生类的公开成员。此时 嵌套名说明符 必须指名所定义的类的某个基类。如果这个名字是该基类的某个重载的成员函数的名字,那么具有该名字的所有基类成员函数均被引入。如果派生类已包含具有相同名字、形参列表和限定的成员,那么派生类成员隐藏或覆盖从基类引入的成员(不与之冲突)。

参考:

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