[C++] public和private继承
1. public继承
以C++进行面向对象编程，最重要的一个规则是：
public inheritance（公开继承）意味着“is-a”（是一种）的关系。
如果你令class D以public形式继承class B，
你便是告诉C++编译器（以及你的代码读者）说，每一个类型为D的对象同时也是一个类型为B的对象，反之不成立。
你的意思是B比D表现出更一般化的概念，而D比B表现出更特殊化的概念。
你主张“B对象可派上用场的任何地方，D对象一样可以派上用场（Liskov Substitution Principle）”，
因为每一个D对象都是一种（是一个）B对象。
反之，如果你需要一个D对象，B对象无法效劳，因为虽然每个D对象都是一个B对象，反之并不成立。
C++对于“public继承”严格奉行上述见解。考虑以下例子：
class Person { ... };
class Student: public Person { ... };
根据生活经验我们知道，每个学生都是人，但并非每个人都是学生，这便是这个继承体系的主张。
我们预期，对人可以成立的每一件事，对学生也都成立。
但我们并不预期对学生可成立的每一件事，对人也成立。
人的概念比学生更一般化，学生是人的一种特殊形式。
于是，承上所述，在C++领域中，任何函数如果期望获得一个类型为Person（或pointer-to-Person或reference-to-Person）的实参，
都也愿意接受一个Student对象（或pointer-to-Student或reference-to-Student）。
这个论点只对public继承才成立，
只有当Student以public形式继承Person，C++的行为才会如我所描述。
private继承的意义与此完全不同。
is-a并非唯一存在于class之间的关系，令两个常见的关系是has-a（有一个）和is-implemented-in-terms-of（根据某物实现出）。
将上述这些重要的相互关系中的任何一个误塑为is-a而造成的错误设计，在C++中并不罕见。
所以你应该确定你确实了解这些个“class相互关系”之间的差异性，并知道如何在C++中最好的塑造它们。
2. private继承
我们论证了C++如何将public继承视为is-a关系，
在那个例子中我们有个继承体系，其中class Student以public形式继承class Person，
于是编译器在必要时刻（为了让函数调用成功），将Student暗自转换成Person。
现在我再重复该例的一部分，并以private继承替换public继承。
class Person { ... };
class Student: private Person { ... };
在我们探讨其意义之前，可否先搞清楚其行为。到底private继承的行为如何呢？
如果class之间的继承关系是private，编译器不会自动将一个derived class对象（例如Student）转换成一个base class对象（例如Person）。
这和public继承的情况不同。
第二条规则是，由private base class继承而来的所有成员，在derived class中都会变成private属性，
纵使它们在base class中原本是protected或public属性。
现在让我们开始讨论其意义，
private继承意味着implement-in-terms-of（根据某物实现出）。
如果你让class D以private形式继承class B，你的用意是为了采用class B内已经备妥的某些特性，
不是因为B对象和D对象存在任何观念上的关系。
private继承纯粹只是一种实现技术，
这就是为什么继承自一个private base class的每样东西在你的class内部都是private，因为它们都只是实现枝节而已。
private继承意味只有实现部分被继承，接口部分应略去。
如果D以private形式继承B，意思是D对象根据B对象实现而得，再没有其他意涵了。
private继承在软件“设计”层面上没有意义，其意义只及于软件实现层面。
private继承意味is-implement-in-terms-of（根据某物实现出），
这个事实有点令人不安，因为复合（compositoin）的意义也是这样。
你如何在两者之间取舍？答案很简单：尽可能使用复合，必要时才使用private继承。
何时才是必要？主要是当protected成员和/或virtual函数牵扯进来的时候。
3. 例子
假设我们的程序涉及Widget，而我们决定应该较好的了解如何使用Widget，
例如我们不只想要知道Widget成员函数多么频繁的被调用，也想知道经过一段时间后调用比例如何变化。
要知道，带有多个执行阶段（execution phases）的程序，可能在不同阶段拥有不同的行为轮廓（behavioral profiles）。
例如，编译器在解析（parsing）阶段所用的函数，大大不同于在最优化（optimization）和代码生成（code generation）阶段所使用的函数。
我们决定修改Widget class，让它记录每个成员函数的被调用次数。
运行期间我们将周期性的审查那份信息，也许再加上每个Widget的值，以及我们需要评估的任何其他数据。
为完成这项工作，我们需要设定某种定时器，使我们知道收集统计数据的时候是否到了。
我们宁可复用既有代码，尽量少写新代码，所以在自己的工具百宝箱中翻箱倒柜，
并且很开心的发现了这个class：
class Timer{
public:
explicit Timer(int tickFrequency);
// 定时器每滴答一次，此函数就被自动调用一次
virtual void onTick() const;
};
这就是我们找到的东西，一个Timer对象，可调整为以我们需要的任何频率抵达前进，
每次滴答就调用某个virtual函数，我们可以重新定义那个virtual函数，让后者取出Widget的当时状态。
为了让Widget重新定义Timer内的virtual函数，Widget必须继承自Timer。
但是public继承在此例并不适当，因为Widget并不是个Timer。
Widget客户总不该能够对着一个Widget调用onTick吧，因为观念上那并不是Widget接口的一部分。
如果允许那样的调用动作，很容易造成客户不正确的使用Widget接口。
我们必须以private形式继承Timer：
class Widget: private Timer{
private:
// 查看Widget的数据，等等
virtual void onTick() const;
};
籍由private继承，Timer的public onTick函数在Widget内变成private，
而我们重新声明（定义）时仍然把它留在那儿。
这是个好设计，但不值几文钱，因为private继承并非绝对必要。
如果我们决定以复合（composition）取而代之，是可以的。
只要在Widget内声明一个嵌套式private class，后者以public形式继承Timer并重新定义onTick，然后放一个这种类型的对象于Widget内。
class Widget{
private:
class WidgetTimer: public Timer{
public:
virtual void onTick() const;
...
};
WidgetTimer timer;
...
};
这个设计比只使用private继承要复杂一些，因为它同时涉及public继承和复合，并导入一个新class（WidgetTimer）。
坦白说，我展示它主要是为了提醒你，解决一个设计问题的方法不只一种，而训练自己思考多种做法是值得的。
4. 空白基类优化
有一种激进情况涉及空间最优化，可能会促使你选择“private继承”而不是“继承加复合”。
这个激进情况真是有够激进，只适用于你所处理的class不带任何数据时。
这样的class没有non-static成员变量，没有virtual函数（因为这种函数的存在会为每个对象带来一个vptr），
也没有virtual base class（因为这样的base class也会招致体积上的额外开销）。
于是这种所谓的empty class对象不使用任何空间，因为没有任何隶属对象的数据需要存储。
然而，由于技术上的理由，C++裁定凡是独立（非附属）对象都必须有非零大小，所以如果你这样做，
// 没有数据，所以其对象应该不使用任何内存
class Empty{};
// 应该只需要一个int空间
class HoldsAnInt{
private:
int x;
// 应该不需要任何内存
Empty e;
};
你会发现sizeof(HoldsAnInt) > sizeof(int)，一个Empty成员变量竟然要求内存。
在大多数编译器中sizeof(Empty)获得1，因为面对“大小为零之独立（非附属）对象”，通常C++官方勒令默默安插一个char到空对象内。
然而，齐位需求（alignment）可能造成编译器为类似HoldsAnInt这样的class加上一些衬垫（padding），
所以有可能HoldsAnInt对象不只获得一个char大小，也许实际上被放大到足够又存放一个int。
但或许你注意到了，我很小心的说“独立（非附属）”对象的大小一定不为零。
也就是说，这个约束不适用于derived class对象内的base class成分，因为它们并非独立（非附属）。
如果你继承Empty，而不是内含一个那种类型的对象：
class HoldsAnInt: private Empty{
private:
int x;
};
几乎可以确定sizeof(HoldsAnInt) == sizeof(int)，这是所谓的EBO（empty base optimization，空白基类最优化），
我试过的所有编译器都有这样的结果。
如果你是一个程序库开发人员，而你的客户非常在意空间，那么值得注意EBO。
另外还值得知道的是，EBO一般只在单一继承（而非多重集成）下才可行，
统治C++对象布局的那些规则通常表示EBO无法被施行于“拥有多个base”的derived class身上。
现实中的“empty” class并不是真的是empty，
虽然它们从未拥有non-static成员变量，却往往内含typedef，enum，static成员变量，或non-virtual函数。
STL就有许多技术用途的empty class，其中内含有用的成员（通常是typedef），包括base class unary_function和binary_function，
这些是“用户自定义之函数对象”通常会继承的class，感谢EBO的广泛实践，使这样的继承很少增加derived class的大小。
尽管如此，让我们回到根本，
大多数class并非empty，所以EBO很少成为private继承的正当理由。
更进一步说，大多数继承相当于is-a，这是指public继承，不是private继承。
复合和private继承都意味着is-implemented-in-terms-of，但复合比较容易理解，
所以无论什么时候，只要可以，你还是应该选择复合。
