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C 箴言：确保公开继承模拟“is-a”

2008-02-23 05:24:05来源：互联网阅读 ()

在 Some Must Watch While Some Must Sleep (W. H. Freeman and Company, 1974) 这本书中，William Dement 讲述了一个他试图让他的学生的记住他的课程中最重要的东西的故事。书中声称，他告诉他的班级，一般的英国中小学生对于 1066 年发生的 Hastings 战争的历史并没有什么了解。他着重强调，假如一个孩子记住了一点儿什么的，他或她也就是记住了 1066 这个年代。对于上他的课程的学生，Dement 滔滔不绝地讲，其中只有很少的重要信息，包括安眠药却引起了失眠这样充满趣味的事情。他希望他的学生即使忘记课程中讨论的其他每一件事，也能记住这些很少的重大事件，而且他在整个学期再三地回顾这些基础的内容。在课程结束的时候，期末考试的最后一道题是：“写下从这个课程中得到的，您一生都将确切地记住的一件事。”当 Dement 给这次考试打分的时候，他几乎晕了过去。几乎每一个人都写了"1066"。

　　因此，我一再煞费苦心地向您宣扬，使用 C 语言进行 object-oriented programming 时唯一最重要规则就是：public inheritance（公开继承）意味着 "is-a"。要让这个规则刻骨铭心。

　　假如您写了一个 class D ("Derived") 从 class B ("Base") 公开继承，您就是在告诉 C 编译器（连同您的代码的读者）每一个类型为 D 的对象也是个类型为 B 的对象，但是反之则不然。您就是在说 B 描绘了一个比 D 更一般的概念，D 描述了一个比 B 更特别的概念。您就是在声称一个类型为 B 的对象能够使用的任何地方，一个类型为 D 的对象相同能够使用，因为每一个类型为 D 的对象也就是个类型为 B 的对象。另一方面，假如您需要一个类型为 D 的对象，一个类型为 B 的对象则不行：每一个 D 都是个 B，但是反之则不然。

　　C 坚持对 public inheritance 的这一解释。考虑这个例子：

class Person {...};

class Student: public Person {...};

　　我们从日常的经验知道每一个学生都是个人，但并不是每一个人都是个学生。这就是由这个继承体系严格确定的意义。我们期望每一件对于人来说成立的事情——例如，他或她有一个出生日——对于一个学生来说也成立。我们不期望每一件对于学生来说成立的事情——例如，他或她在一所特定的学校注册——对于普通人来说也成立。一个人的概念比一个学生的概念更普通，一个学生一个专门类型的人。

　　在 C 领域中，任何期望引数类型为 Person（或 pointer-to-Person 或 reference-to-Person）的函数都能够接受一个 Student object（或 pointer-to-Student 或 reference-to-Student）：

void eat(const Person& p); // anyone can eat

void study(const Student& s); // only students study

Person p; // p is a Person
Student s; // s is a Student

eat(p); // fine, p is a Person

eat(s); // fine, s is a Student,
// and a Student is-a Person

study(s); // fine

study(p); // error! p isn’t a Student

　　这一点只对 public inheritance 才成立。只有 Student 以 public 方式从 Person 派生，C 才有我所描述的行为。private inheritance 意味着完全不同的其他事情（参见 Item 39），而 protected inheritance 究竟意味什么使我困惑至今。

　　public inheritance 和 is-a 等价听起来简单，但有时您的直觉会误导您。例如，企鹅是一种鸟没有问题，而鸟能飞也没有问题。假如我们天真地试图用 C 来表达，我们就会得到：

class Bird {
public:
virtual void fly(); // birds can fly

...
};

class Penguin:public Bird { // penguins are birds
...
};

　　突然间我们碰到了麻烦，因为这个继承体系表示企鹅能飞，我们知道这不是真的。发生了什么呢？

　　在这种情况下，我们成了不严谨的语言——英语的牺牲品。当我们说鸟能飞的时候，我们的意思并非是说任何种类的鸟都能飞，我们但是是说，大体上，鸟有飞的能力。假如我们说得更准确些，我们应该承认有几种不能飞的鸟，并提出如下继承体系，他对事实的模拟要好得多：

class Bird {
　... // no fly function is declared
};

class FlyingBird: public Bird {
　public:
　　virtual void fly();
　　...
};

class Penguin: public Bird {
　... // no fly function is declared
};

　　这个继承体系比最初的设计更忠实于我们真正知道的东西。

　　至此我们还是没有完全做好关于这些鸟的事情，因为对于某些软件系统来说，可能并无需区分能飞的和不能飞的鸟。假如您的应用程式对于鸟喙和鸟翼做了很多处理，而不打算对飞行做什么处理的话，最初的 two-class 的继承体系可能完全适用。他是对“没有一个适用于任何软件的完美设计”这样的事实的一个简单反映。最好的设计依赖于系统究竟期望做什么，无论现在还是未来。假如您的程式对飞行一无所知，而且也不期望以后能知道些什么，那么不分辨能飞和不能飞的鸟可能就是个很完美的设计决策。事实上，他可能比区分他们的设计更为可取，因为您试图模拟的世界中就没有这样一种区分。。

　　对于如何处理我所说的“任何的鸟能飞，企鹅是鸟，企鹅不能飞，啊……哦……”的问题，更有另一种思想观念。那就是为企鹅重定义 fly 函数，以便让他产生一个运行时错误。

void error(const std::string& msg); // defined elsewhere

class Penguin: public Bird {
　public:
　　virtual void fly() { error("Attempt to make a penguin fly!");}
　　...
};

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