我們把一個(gè)僅僅含有純虛函數(shù)的類稱為接口，我們也好像已經(jīng)習(xí)慣了將這個(gè)接口中的所有純虛函數(shù)全聲明為public，而且按照這樣的設(shè)計(jì)，一切都工作得不錯(cuò)。比如COM正是這樣做的，它的接口中幾乎不會(huì)存在private的純虛函數(shù)。那么，讓我們想一想，純虛函數(shù)或者虛函數(shù)可以為private嗎？如果這種方式是可行的，那么什么時(shí)候可以將（純）虛函數(shù)設(shè)為private了？這些都是本文將要討論的主題。一起來(lái)看看。


一．訪問(wèn)限定符與繼承   

如果基類隱式（間接）向子類暴露了私有成員，那么從某種意義上講，該私有成員對(duì)于子類是可見(jiàn)的。

任何一本講C++基礎(chǔ)的課本上都詳細(xì)地介紹了訪問(wèn)限定符與繼承的關(guān)系，在這里就不重復(fù)了，但是，課本上的東西并不全，不信？那么請(qǐng)先看看下面的例子：

   以下是輸出的結(jié)果：
   this class id is Base 
   this is DerivedA doWork ! 

   怎么回事？為什么不是 
      this class id is DerivedA 
      this is DerivedA doWork !

子類的classID（）不是將基類的classID（）覆蓋了么？我們來(lái)分析一下，基類中的公共的work（）成員函數(shù)調(diào)用了私有的classID（）成員函數(shù)，根據(jù)輸出的結(jié)果來(lái)看，在子類中定義的classID方法并沒(méi)有覆蓋基類的同名方法，為什么呢？難道是因?yàn)?/SPAN>classID是private導(dǎo)致的？那好，我們將classID函數(shù)改為public再次運(yùn)行，我們期望的結(jié)果出現(xiàn)了嗎？呵呵，很抱歉，沒(méi)有，希望再次破滅了，為什么會(huì)這樣？這主要涉及的原因是：普通函數(shù)的調(diào)用是在編譯期確定的，當(dāng)work函數(shù)一看到所調(diào)用的classID是非虛的，就會(huì)毫無(wú)疑問(wèn)地去直接使用基類的classID。這一切與Base類是否會(huì)被繼承沒(méi)有任何關(guān)系，跟Base類被繼承后子類會(huì)否再次定義classID就更沒(méi)有關(guān)系了。

   那么這種情況下，Base類將classID聲明為private和public/protected有什么區(qū)別了？當(dāng)將classID聲明為private時(shí)，DerivedA看不到基類的classID的聲明，所以不會(huì)發(fā)生重定義；當(dāng)將classID聲明為public/protected時(shí)，DerivedA將看到基類的classID聲明，于是會(huì)發(fā)生重定義，即會(huì)覆蓋調(diào)基類的classID的定義。講到這里就要提一下，如果當(dāng)將classID聲明為public/protected，并且子類也定義同名的函數(shù)classID，但是子類的classID與基類的classID的函數(shù)簽名不同，那么此時(shí)發(fā)生的將是函數(shù)重載而不是覆蓋。

而這正是我們所期望的，不是嗎？這其中的原因也很容易理解，因?yàn)?/SPAN>classID是virtual ，并且是public的，所以會(huì)產(chǎn)生多態(tài)調(diào)用。
   再往下走，將基類和子類的classID聲明改為virtual private ，再次運(yùn)行程序，看看輸出了什么。
      this class id is DerivedA 
      this is DerivedA doWork !

沒(méi)有變化，將classID聲明為virtual private和聲明為 virtual public 得到的結(jié)果是一樣的。“為什么會(huì)這樣，classID是private啊？”你驚訝地叫出來(lái)。是，classID是private，但classID也是virtual，原因就在這里，用基類指針或引用進(jìn)行虛函數(shù)調(diào)用采用的是動(dòng)態(tài)綁定，看看編譯器為調(diào)用classID產(chǎn)生的代碼就知道了：

//c++偽碼

(this->vptr[1])() ;

在運(yùn)行時(shí)期，通過(guò)this指針將會(huì)找到正確的vtbl，即DerivedA類的vtbl，這樣自然就會(huì)出現(xiàn)上面的結(jié)果了。那么將classID 聲明為private限制了什么？和將非虛函數(shù)聲明為private一樣，這將使得在Base類外部無(wú)法調(diào)用多態(tài)函數(shù)classID，只能在Base內(nèi)部調(diào)用，如通過(guò)work函數(shù)調(diào)用。

   可見(jiàn)，多態(tài)性與將實(shí)現(xiàn)多態(tài)的函數(shù)的訪問(wèn)限定符沒(méi)有任何關(guān)系，private 函數(shù)仍然可以實(shí)現(xiàn)多態(tài)，它的指針仍然位于vtbl中，只不過(guò)該函數(shù)的多態(tài)一般只能在基類的內(nèi)部由其他非虛函數(shù)調(diào)用該函數(shù)的時(shí)候反映出來(lái)，訪問(wèn)限定符僅僅限制外部對(duì)類的成員的訪問(wèn)權(quán)限，它并沒(méi)有破壞以下規(guī)則： 

       通過(guò)基類指針或引用調(diào)用成員函數(shù)時(shí)，如果該函數(shù)時(shí)非虛的，那么將采用靜態(tài)綁定，即編譯時(shí)綁定；如果該函數(shù)是虛擬的，則采用動(dòng)態(tài)綁定，即運(yùn)行時(shí)綁定。

上面我們通過(guò)分析，已經(jīng)知道了多態(tài)的實(shí)現(xiàn)與訪問(wèn)限定符沒(méi)有任何關(guān)系，訪問(wèn)限定符只是控制類的成員對(duì)外部的可見(jiàn)性，但不限制多態(tài)。正如上面提到的，將classID聲明為virtual private和聲明為 virtual public 后再次運(yùn)行程序，得到的結(jié)果是一樣的，上面我們簡(jiǎn)單的地分析了一下表面現(xiàn)象，但這個(gè)問(wèn)題決不是這么簡(jiǎn)單，讓我們挖掘更深層次的意義，我想這應(yīng)該屬于OOA、OOD的范疇了。好，讓我們一步步看過(guò)來(lái)。

當(dāng)我們將classID聲明為非虛的 private時(shí)，子類將看不見(jiàn)它，當(dāng)然也就無(wú)法覆蓋或重載它，即在這中情況下，子類無(wú)法更改classID的實(shí)現(xiàn)，但是子類繼承了公共接口work（），而這個(gè)接口調(diào)用了classID，所以，可以看作，子類間接地繼承了classID的實(shí)現(xiàn)，并且這個(gè)實(shí)現(xiàn)是無(wú)法修改的。于是，我可以說(shuō)，基類中聲明一個(gè)普通私有成員函數(shù)，表示這是一個(gè)不可被更改的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

再來(lái)討論將classID聲明為virtual private的情況，聲明為private表示基類不想讓子類看到這個(gè)函數(shù)，但是又聲明為virtual，表示基類想讓這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)多態(tài)。呵呵，基類既想實(shí)現(xiàn)多態(tài)，卻又不讓子類看見(jiàn)這個(gè)函數(shù)，這似乎有點(diǎn)自相矛盾，是嗎？其實(shí)，這其中的意思是，子類既可以修改這個(gè)實(shí)現(xiàn)，也可以繼承其基類默認(rèn)的實(shí)現(xiàn)。所以可以這么說(shuō)，如果基類中有一個(gè)虛擬私有成員函數(shù)，表示這是一個(gè)“可以”被派生類修改的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。注意，當(dāng)中的用詞，是“可以”，而不是別的。

最后來(lái)看看將classID聲明為virtual protected的情況。將classID聲明為protected表示基類“需要”子類看見(jiàn)這個(gè)函數(shù)，注意，我使用“需要”這個(gè)動(dòng)詞，這個(gè)詞表示了一定的“強(qiáng)制”意味。與將classID聲明為virtual private的情況對(duì)比一下，我想你已經(jīng)知道答案了，即是，如果基類中有一個(gè)虛擬保護(hù)成員函數(shù)，表示這是一個(gè)必須被派生類修改的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。“必須”這個(gè)詞表達(dá)了強(qiáng)制的意思。

關(guān)于“將virtual與訪問(wèn)限定符結(jié)合”的問(wèn)題就討論這么多，你也許說(shuō)，還漏掉了將classID聲明為virtual public的情況。是的，其實(shí)，我并不推薦將虛擬函數(shù)聲明為public，盡管這種方式在現(xiàn)在很流行，我推薦將其使用virtual protected來(lái)替換，這就說(shuō)明基類必須另外發(fā)布一個(gè)幾乎不更改的非虛public接口，在這個(gè)接口中調(diào)用了virtual protected或virtual private函數(shù)，這樣以來(lái)，我們就對(duì)類的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)作了進(jìn)一步的隱藏，而這無(wú)論是對(duì)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，還是可維護(hù)性都是大有幫助的。“虛擬函數(shù)應(yīng)該和數(shù)據(jù)成員一樣對(duì)待――讓他們成為私有的，除非設(shè)計(jì)需求表明應(yīng)該有較少的限制。提升它們到更高存取級(jí)別比把它們降到更私有的級(jí)別更容易些。”

最后，把上面所說(shuō)的小結(jié)一下：

      基類中的一個(gè)普通私有成員函數(shù)，表示這是一個(gè)不可被更改的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。 
      基類中的一個(gè)虛擬私有成員函數(shù)，表示這是一個(gè)可以被派生類修改的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
      基類中的一個(gè)虛擬保護(hù)成員函數(shù)，表示這是一個(gè)必須被派生類修改的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。 
      最好不要將虛擬成員函數(shù)聲明為public，而是用protected來(lái)替換。

三．模板方法模式

在理解了上面所述的內(nèi)容的情況下，再來(lái)理解模板方法模式就非常easy了，模板方法是在GOF的經(jīng)典大作《設(shè)計(jì)模式》中闡述了一種模式，該模式定義了一個(gè)操作中的算法的骨架，而將一些步驟的實(shí)現(xiàn)延遲到子類中，模板方法使得派生類可以不改變一個(gè)算法的結(jié)構(gòu)即可重定義算法的某些特定步驟。在這里，我不想再重復(fù)解釋這個(gè)模式如何實(shí)現(xiàn)的，我僅僅舉個(gè)例子，這個(gè)例子將體現(xiàn)出模板方法中最重要的思想。

假設(shè)基類定義的一個(gè)算法的骨架由3個(gè)步驟完成，其中第一個(gè)步驟是該繼承體系中不可被改變的一個(gè)步驟，即所有的類對(duì)該步驟的實(shí)現(xiàn)都是一樣的，那個(gè)這個(gè)步驟可以設(shè)置為非虛的private ；第二個(gè)步驟是一個(gè)可以被派生類改寫(xiě)也可以不被改寫(xiě)的步驟，通過(guò)上面的討論知道，可以將其設(shè)為virtual private ；第三個(gè)步驟是針對(duì)每一個(gè)派生類的實(shí)現(xiàn)都不同，那么這個(gè)步驟可以被設(shè)為virtual protected ，而且，步驟三只能針對(duì)特定的派生類才有意義，所以將步驟三也設(shè)為純虛函數(shù)。如下面的代碼所示：

class BaseTemplate 
{ 
private: 

    void step1(void)  // 不可被更改的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) 
    { 
         
    } 
    virtual void step2(void ) // 可以被派生類修改的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) 
    { 
         
    } 

protected: 
    virtual void step3(void ) =0; // 必須被派生類修改的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)     

public: 
    void work(void) // 骨架函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了骨架 
    { 
       step1() ; 
       step2() ; 
       step3() ;     
    } 
};    

   注意，上例中根本沒(méi)有暴露任何虛函數(shù)，所有的這一切都是通過(guò)work（）這個(gè)非虛的public接口展現(xiàn)出來(lái)的，當(dāng)我們用一個(gè)BaseTemplate指針調(diào)用work（）時(shí)，表面上是一個(gè)非虛函數(shù)調(diào)用，采用靜態(tài)綁定，事實(shí)上也正是這樣，但是，這個(gè)調(diào)用的背后隱藏的卻是多態(tài)調(diào)用，即step2和step3動(dòng)態(tài)綁定了。看見(jiàn)，采用模板方法模式，不僅定義了一個(gè)算法的骨架，而且把這個(gè)骨架的實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)作了進(jìn)一步的封裝。我們可以在模板方法模式中可以這樣設(shè)計(jì)：

（1）       如果一個(gè)函數(shù)作為算法骨架中不可變更的一部分，那么可以將此函數(shù)作為基類的私有函數(shù)，并且在基類的公共骨架函數(shù)中調(diào)用該函數(shù)，即該函數(shù)作為骨架的一個(gè)不可更改的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

（2）       如果一個(gè)函數(shù)提供了算法骨架某環(huán)節(jié)的一個(gè)缺省實(shí)現(xiàn)，那么可以考慮將該函數(shù)作為基類的私有虛函數(shù)，表示子類可以改寫(xiě)它，也可以不改寫(xiě)它。

（3）       如果作為算法骨架一部分某個(gè)函數(shù)要求在子類中擁有不同的實(shí)現(xiàn)，那么可以考慮將該函數(shù)作為基類的保護(hù)（純）虛函數(shù)，表示子類必須改寫(xiě)它。

講到這里，已經(jīng)差不多了，在結(jié)束的時(shí)候，提一下語(yǔ)法與語(yǔ)義的聯(lián)系。通常，語(yǔ)法是表象，語(yǔ)義是表象后面隱藏的東西，而這些隱藏的語(yǔ)義往往更具有價(jià)值。舉個(gè)例子，public繼承與private繼承在語(yǔ)法方面似乎沒(méi)有什么更多的東西值得探討，它們的區(qū)別僅僅在于改變了繼承得到的成員的可見(jiàn)性，但是從語(yǔ)義方面來(lái)分析，它們就相差太遠(yuǎn)了，private繼承在語(yǔ)義上來(lái)講是“通過(guò)基類來(lái)實(shí)現(xiàn)自己”，即是“實(shí)現(xiàn)繼承”，在這種繼承關(guān)系中，基類和子類的關(guān)系是很薄弱的；而public繼承在語(yǔ)義上即是我們所熟知的“IS-A”關(guān)系，它體現(xiàn)了基類和子類之間的親密性，也正是這種“IS-A”關(guān)系為多態(tài)性提供了基礎(chǔ)。

所以，通過(guò)表面的語(yǔ)法來(lái)挖掘其背后的語(yǔ)義很有意義，就像這篇文章中提到的將訪問(wèn)限定符與virtual結(jié)合起來(lái)的語(yǔ)法背后隱藏的語(yǔ)義，挖掘出這些語(yǔ)義，對(duì)于我們以后在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)作恰當(dāng)?shù)木駬駸o(wú)疑是大有幫助的。