C++ 的类继承体系十分灵活,继承不仅仅是代码的复用,它更是一种强烈的耦合关系,滥用继承关系不仅会导致架构难看,更会导致程序出现错误。一个典型的滥用就是对于不是 “is-a” 关系的对象使用继承,其目的仅仅是为了复用基类的某个方法。如果仅仅是出于代码复用的目的,“优先使用组合而不是继承” 这条准则是普遍的共识,但是共识并不表示所有人都知道。有时候,某个类的创建者真心不希望这个类被以继承的方式复用。比如动物学家创建了一个名为 “脊索” 的类,他不希望别人用继承的方式创建 “脊索动物亚门”,而是希望别人用组合的方式创建 “脊索动物亚门”。如图(1)所示:
图(1)关于 “脊索” 类的设计
不幸的是,C++ 11 之前的版本在语言的层面上对图(1-a)的错误用法无能为力。C++ 哲学派提出了一个新的代码哲学,即对于不希望被继承的类,设计者应当将析构函数设计成非虚的。言外之意,如果一个类的析构函数不是虚函数,使用者不应该用任何方式继承这个类。然而,和 C++ 的其他哲学实验一样,鲁莽的程序员们经常对此置之不理。C++ 的技术派则祭出了各种技巧,其中包括使用 “受保护的基类构造函数”技术。来看一下这种“技术”的实现:
class NonInheritable {
protected:
NonInheritable() {}
};
class Derived : virtual NonInheritable {
};
class Test : public Derived {
};
int main() {
Derived *pd1 = new Derived; // OK,正常使用 Derived 类
Test *pt = new Test; // Error,不能访问间接虚基类的构造函数
}
Derived 采用虚拟继承的方式继承了 NonInheritable 类,而NonInheritable 类的默认构造函数被声明为“保护”类型。正常创建Derived类的实例没有问题,但是创建`Derived`类的派生类的实例时就会遇到构造困难。这其实是一个编译错误,因为编译器不知道如何构造 Text类的基类。这个“技术”相当地晦涩,当用户设计 Test 类的时候不会得到任何提示,直到使用 Test 类创建实例的时候才被“当头棒喝”。这种“技术”算是对滥用继承的人的惩罚吧,但是只要 Test 类也采用虚拟继承的方式,这种“技术”也就破功了。
C++ 11 发布的时候,新增了 final 关键字,这是一个说明符,它的出现从语言层面上结束了这个困惑的局面。C++ 的 final 说明符有两个用途,当一个类被声明为 final 的时候,这个类就不能被继承,而当一个虚(virtual)成员函数被声明为 final 的时候,这个函数就不能被重写(override)。final 说明符对类的用法如下:
class Derived final {
};
class Test : public Derived { // Error, 编译报错
};
struct 也可以声明为 final,用法和 class 的用法一样,下面重点说说对虚成员函数的用法。为什么强调是虚(virtual)成员函数呢?因为 C++ 的 final 说明符只能用于 class、struct 和虚成员函数。将 final 说明符应用于控制虚成员函数的重写,是因为 C++ 的虚成员函数重写和重载的坑太多所致。最常见的坑就是虚函数重写时参数默认值的问题,来看个例子:
class Base {
public:
virtual void SetValue(int value = 5) = 0;
};
class Derived : public Base {
public:
virtual void SetValue(int value = 7) {
std::cout << value << std::endl;
}
};
来看看以下代码的输出结果:
Base* p1 = new Derived;
p1->SetValue(6);
Base* p2 = new Derived;
p2->SetValue();
Derived* p3 = new Derived;
p3->SetValue();
输出结果是 6,5,7,而不是很多人理解的 6,7,7。这里面 p2 虽然是一个 Derived 对象实例,但是由于函数参数的默认值是静态绑定的,虽然调用的是 Derived::SetValue() 函数,但是编译器生成代码时使用的参数默认值仍然是 Base::SetValue() 的默认值。C++ 程序员的座右铭又多了一条:不要在虚函数中使用参数默认值。
再来看一个“虚假重写”问题:
class Base {
public:
virtual void SetValue(int value) {
std::cout << "Base: " << value << std::endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
virtual void SetValue(long value) {
std::cout << "Derived: " << value << std::endl;
}
};
注意代码中 Base::SetValue() 函数与 Derived::SetValue() 函数参数类型的差异,现在对于这行代码,看看输出什么:
Base* a2 = new Derived;
a2->SetValue(5);
是 Base: 5 还是 Derived: 5 ?事实上,无论你使用 a2->SetValue(5L) 还是 a2->SetValue((long)5) 强制参数为 long 类型,输出结果都是 Base: 5。上面代码的 Derived 类看似对 SetValue() 函数重写了,然而并没有,编译器认为是函数重载(overload)。编译器对于重写的绑定是动态绑定,但是对于重载是静态绑定,所以 Base* 对象调用的永远是动态绑定的 SetValue(int value) ,如果派生类 Derived 没有提供重写,那就调用基类 Base 的 SetValue(int value)。
为了避免 C++ 中虚函数重写的坑下冤魂无数,使用说明符从语言层面对重写进行约束是个迫切的需求。使用 final 说明符阻止派生类的重写,可以有效地保护现有类的继承层次设计,避免鲁莽的开发者错误重写导致莫名其妙的问题。final 说明符是对于类库的作者尤其有用,将某个接口类或接口类中的某个虚函数声明为 final,使得类的继承体系或虚函数的重写设计仅限于类库的内部,避免外溢后被类库的使用者误用,对提高系统的稳定性有很大的好处。
最后,C++ 14 提供了一个 type traits 用于判断一个类或 struct 是否是 final,它就是 std::is_final<T> 。C++ 17 又补充了一个辅助变量模板 std::is_final_v<T>,用于简化 std::is_final<T> 的使用,总之就是可以少敲几次键盘。