C++箴言:確保公開繼承模擬“is-a”

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在 Some Must Watch While Some Must Sleep (W. H. Freeman and Company, 1974) 這本書中,William Dement 講述了一個他試圖讓他的學生的記住他的課程中重要的東西的故事。書中聲稱,他告訴他的班級,一般的英國中小學生對于 1066 年發(fā)生的 Hastings 戰(zhàn)爭的歷史并沒有什么了解。他著重強調(diào),如果一個孩子記住了一點兒什么的,他或者她也就是記住了 1066 這個年代。對于上他的課程的學生,Dement 滔滔不絕地講,其中只有很少的重要信息,包括安眠藥卻引起了失眠這樣充滿趣味的事情。他希望他的學生即使忘記課程中討論的其它每一件事,也能記住這些很少的重大事件,而且他在整個學期再三地回顧這些基礎(chǔ)的內(nèi)容。 在課程結(jié)束的時候,期末考試的后一道題是:“寫下從這個課程中得到的,你一生都將確切地記住的一件事?!碑?Dement 給這次考試打分的時候,他幾乎暈了過去。幾乎每一個人都寫了"1066"。
    因此,我一再煞費苦心地向你宣揚,使用 C++ 語言進行 object-oriented programming 時重要規(guī)則就是:public inheritance(公開繼承)意味著 "is-a"。要讓這個規(guī)則刻骨銘心。
    如果你寫了一個 class D ("Derived") 從 class B ("Base") 公開繼承,你就是在告訴 C++ 編譯器(以及你的代碼的讀者)每一個類型為 D 的對象也是一個類型為 B 的對象,但是反之則不然。你就是在說 B 描繪了一個比 D 更一般的概念,D 描述了一個比 B 更特殊的概念。你就是在聲稱一個類型為 B 的對象可以使用的任何地方,一個類型為 D 的對象一樣可以使用,因為每一個類型為 D 的對象也就是一個類型為 B 的對象。另一方面,如果你需要一個類型為 D 的對象,一個類型為 B 的對象則不行:每一個 D 都是一個 B,但是反之則不然。
    C++ 堅持對 public inheritance 的這一解釋??紤]這個例子:
    class Person {...};
    class Student: public Person {...};
    我們從日常的經(jīng)驗知道每一個學生都是一個人,但并不是每一個人都是一個學生。這就是由這個繼承體系嚴格確定的意義。我們期望每一件對于人來說成立的事情——例如,他或她有一個出生日——對于一個學生來說也成立。我們不期望每一件對于學生來說成立的事情——例如,他或她在一所特定的學校注冊——對于普通人來說也成立。一個人的概念比一個學生的概念更普通,一個學生一個專門類型的人。
    在 C++ 領(lǐng)域中,任何期望引數(shù)類型為 Person(或 pointer-to-Person 或 reference-to-Person)的函數(shù)都可以接受一個 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
    這一點只對 public inheritance 才成立。只有 Student 以 public 方式從 Person 派生,C++ 才有我所描述的行為。private inheritance 意味著完全不同的其它事情(參見 Item 39),而 protected inheritance 究竟意味什么使我困惑至今。
    public inheritance 和 is-a 等價聽起來簡單,但有時你的直覺會誤導你。例如,企鵝是一種鳥沒有問題,而鳥能飛也沒有問題。如果我們天真地試圖用 C++ 來表達,我們就會得到:
    class Bird {
    public:
    virtual void fly(); // birds can fly
    ...
    };
    class Penguin:public Bird { // penguins are birds
    ...
    };
    突然間我們遇到了麻煩,因為這個繼承體系表示企鵝能飛,我們知道這不是真的。發(fā)生了什么呢?
    在這種情況下,我們成了不嚴謹?shù)恼Z言——英語的犧牲品。當我們說鳥能飛的時候,我們的意思并非是說所有種類的鳥都能飛,我們不過是說,大體上,鳥有飛的能力。如果我們說得更準確些,我們應(yīng)該承認有幾種不能飛的鳥,并提出如下繼承體系,它對事實的模擬要好得多:
    class Bird {
    ... // no fly function is declared
    };
    class FlyingBird: public Bird {
    public:
    virtual void fly();
    ...
    };
    class Penguin: public Bird {
    ... // no fly function is declared
    };