第六章. 繼承和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)
面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)（ OOP ）風(fēng)靡計(jì)算機(jī)軟件界已經(jīng)有 20 個(gè)年頭了，因此，你或多或少會(huì)與繼承、派生以及虛函數(shù)這些事物有所接觸。即使你僅僅使用 C 語(yǔ)言編程，那你也難以徹底逃離 OOP 的大氣候。
然而， C++ 中的 OOP 與你過(guò)去常見(jiàn)的可能有所不同。繼承可以是單一的也可以是多重的，同時(shí)每個(gè)繼承鏈接可以是公 有的 (public) ，可以是受保護(hù)的 (protected) ，也可以是私有的 (private) 。每個(gè)鏈接也可以分為虛擬 (virtual) 和非虛擬兩種。另外，成員函數(shù)也有選擇的范圍：虛擬的？非虛擬的？純虛擬的？此外，與其他語(yǔ)言特征進(jìn)行交互也有需要考慮的問(wèn)題：默認(rèn)參數(shù)值是如何與虛函數(shù)相交互的？繼承是如何影響 C++ 的名字查找規(guī)則的？還有設(shè)計(jì)的問(wèn)題：如果需要將一個(gè)類設(shè)計(jì)成可修改的，那么虛函數(shù)是實(shí)現(xiàn)這一特性的最優(yōu)途徑嗎？
本章就會(huì)針對(duì)這些問(wèn)題為大家一一道來(lái)。而后，我還將向大家解釋 C++ 種特殊功能的真正含義。——也就是當(dāng)你使用一種特定的構(gòu)造方式時(shí)，你真正表達(dá)出的內(nèi)容。比如說(shuō)，公共繼承意味著“ A 是一個(gè) B ”，倘若你讓其表示其它的含義，那么你就會(huì)惹上麻煩。類似地，一個(gè)虛函數(shù)意味著“接口必須被繼承”，然而一個(gè)非虛函數(shù)則意味著“接口和實(shí)現(xiàn)必須都被繼承。”一個(gè) C++ 程序員如果不能恰當(dāng)?shù)膮^(qū)分這些內(nèi)容的含義，那么他的編程生涯就會(huì)顯得步履維艱。
如果你能夠深入了解 C++ 中浩瀚特征的方方面面，你將發(fā)現(xiàn)你對(duì) OOP 的見(jiàn)解將有質(zhì)的飛躍。你的見(jiàn)解將決定你對(duì)軟件系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)。一旦你對(duì) C++ 的認(rèn)識(shí)變得全面而成熟了，此時(shí)你的 C++ 之路將變得一馬平川。
第32條： 確保公共繼承以“ A 是一個(gè) B ”形式進(jìn)行
威廉迪蒙在他的書《一些人睡去，而另一些人必須》（ W. H. Freeman and Company ， 1974 ）中講述了這樣一個(gè)故事：他在課堂上嘗試讓他的學(xué)生記住他課程中最重要的那一部分。他和他的學(xué)生講，據(jù)說(shuō)普通的英國(guó)學(xué)生僅僅能記得黑斯廷斯戰(zhàn)役發(fā)生于 1066 年。迪蒙強(qiáng)調(diào)，如果有一個(gè)學(xué)生只記住了一點(diǎn)點(diǎn)，他（她）記住的便是 1066 這個(gè)年號(hào)。迪蒙繼續(xù)講，對(duì)于他的課堂上的學(xué)生，只有幾條核心的信息，非常有趣的是，這些信息還包括：“安眠藥最終會(huì)導(dǎo)致失眠。”他請(qǐng)求他的學(xué)生們一定記住這些核心信息，即使把課堂中討論的所有其他的內(nèi)容都忘光也可以，整個(gè)學(xué)期他都為學(xué)生反復(fù)重復(fù)這些核心信息。
在學(xué)期末，期末考試的最后一道題是“請(qǐng)寫下這一學(xué)期中讓你銘記一生的一件東西。”當(dāng)?shù)厦砷喚淼臅r(shí)候，差點(diǎn)兒沒(méi)昏過(guò)去。幾乎所有的學(xué)生不約而同地寫下了“ 1066 ”。
因此，我“誠(chéng)惶誠(chéng)恐”地向各位講述 C++ 面向?qū)ο缶幊讨凶顬橹匾囊粭l原則：公共繼承意味著“ A 是一個(gè) B ”關(guān)系。這條原則一定要銘記在心。
如果你編寫了 B 類（ Base ，基類），并編寫了由其派生出的 D 類（ Derived ，派生類），那么你就告訴了 C++ 編譯器（以及代碼的讀者），每一個(gè) D 類型的對(duì)象同時(shí)也是 B 類型的，但是反過(guò)來(lái)不成立。我們說(shuō) B 表示比 D 更加一般化的內(nèi)容，而 D 則表示比 B 更加具體化的內(nèi)容。另外我們還強(qiáng)調(diào)如果一個(gè) B 類型的對(duì)象可以在某處使用時(shí)，那么 D 類型的對(duì)象一定可以在此使用。這是因?yàn)?/span> D 類型的每個(gè)對(duì)象一定是 B 類型的。反之，如果某一刻你需要一個(gè) D 類型的對(duì)象，那么一個(gè) B 類型的對(duì)象則不一定能滿足要求：每個(gè) D 都是一個(gè) B ，但反之不然。
C++ 嚴(yán)格按上述方式解釋公共繼承。請(qǐng)參見(jiàn)下面的示例：
class Person {...};
class Student: public Person {...};
我們從生活的經(jīng)驗(yàn)中可以得知：每個(gè)學(xué)生都是一個(gè)人，但是并不是每個(gè)人都是學(xué)生。上面的代碼正體現(xiàn)了這一層次結(jié)構(gòu)。我們期望“人”的每一條屬性對(duì)“學(xué)生”都適用（比如一個(gè)人有他的出生日期，學(xué)生也有）。但是對(duì)學(xué)生能成立的屬性對(duì)于一般的人來(lái)說(shuō)并不一定成立（比如一個(gè)學(xué)生被某所大學(xué)錄取了，但不是每個(gè)人都會(huì)去上大學(xué)）。人的概念比學(xué)生的概念更加寬泛，而學(xué)生是一類特殊的人。
在 C++ 領(lǐng)域中，一切需要使用 Person 類型參數(shù)的函數(shù)同樣能夠接受 Student 對(duì)象（或指向 Student 的指針或引用）：
void eat(const Person& p); // 人人都會(huì)吃飯
void study(const Student& s); // 只有學(xué)生會(huì)學(xué)習(xí)
Person p; // p 是一個(gè)人
Student s; // s 是一個(gè)學(xué)生
eat(p); // 正確， p 是一個(gè)人
eat(s); // 正確 , s 是一個(gè)學(xué)生，
// 同時(shí)一個(gè)學(xué)生是一個(gè)人
study(s); // 正確
study(p); // 錯(cuò)誤！ p 不一定是學(xué)生
這一點(diǎn)僅僅在公共繼承的情況下成立。只有在 Student 是公有派生自 Person 類時(shí)， C++ 才會(huì)按剛才米阿術(shù)的情景運(yùn)行。私有繼承則意味著派生出的某些內(nèi)容是全新的。受保護(hù)的繼承今天暫且不談。
公共繼承和“ A 是一個(gè) B ”的等價(jià)性聽(tīng)上去很簡(jiǎn)單，但是某些時(shí)候你的直覺(jué)會(huì)誤導(dǎo)你。比如說(shuō)，一只企鵝是一只鳥，這是千真萬(wàn)確的，同只鳥會(huì)飛，這是不爭(zhēng)的事實(shí)。如果我們?cè)?/span> C++ 中如此幼稚地表述這一情景，那么我們將得到：
class Bird {
public:
virtual void fly(); // 鳥類可以飛行
...
};
class Penguin:public Bird { // 企鵝是鳥
...
};
瞬間我們陷入泥潭，因?yàn)檫@一層次結(jié)構(gòu)中，企鵝竟然會(huì)飛！這顯然是荒謬的。那么問(wèn)題出在哪里呢？
這種情況下，我們成為了一種不精確的語(yǔ)言 —— 英語(yǔ)的受害者。當(dāng)我們說(shuō)“ 鳥類能夠飛行”時(shí)，我們的意思并不是說(shuō)所有的鳥類都會(huì)飛。在一般情況下，只有擁有飛行能力的鳥類才能夠飛。假如我們的語(yǔ)言更加精確些，我們就能認(rèn)識(shí)到世界上還存在著一些不會(huì)飛的鳥類，我們也就能構(gòu)建出下面的層次結(jié)構(gòu)，這樣的機(jī)構(gòu)才更加貼近真實(shí)世界：
class Bird {
... // 不聲明任何飛行函數(shù)
};
class FlyingBird: public Bird {
public:
virtual void fly();
...
};
class Penguin: public Bird {
... // 不聲明任何飛行函數(shù)
};
這一層次結(jié)構(gòu)比原先設(shè)計(jì)的更加忠實(shí)于我們所了解的世界。
到目前為止，上文的飛禽問(wèn)題尚未徹底明了，因?yàn)樵谝恍┸浖到y(tǒng)中，區(qū)分鳥類是否可以飛行這項(xiàng)工作是沒(méi)有意義的，如果你的程序主要是關(guān)于鳥類的喙和翅膀，而與飛行沒(méi)有什么關(guān)系，那么原先的 2 個(gè)類的層次結(jié)構(gòu)就可以滿足要求了。這里也很清晰的反映出了這一哲理：凡事并不存在一勞永逸的解決方案。對(duì)軟件系統(tǒng)而言，最好的設(shè)計(jì)一定會(huì)考慮到這個(gè)系統(tǒng)是用來(lái)做什么的，無(wú)論是現(xiàn)在還是未來(lái)，如果你的程序?qū)︼w行的問(wèn)題一無(wú)所知，并且也不準(zhǔn)備去了解，那么忽略飛行特性的設(shè)計(jì)方案很可能就是完美的。事實(shí)上，這樣做要比將兩者區(qū)分開(kāi)的設(shè)計(jì)方案更好些，因?yàn)槟阏谀M的世界中很可能不會(huì)存在這一機(jī)制。
對(duì)于解決上文中的“白馬非馬”的問(wèn)題，還存在另外一個(gè)思考方法。那就是為企鵝重新定義 fly 函數(shù)，從而讓其產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)行是錯(cuò)誤：
void error(const std::string& msg); // 定義的內(nèi)容在其他地方
class Penguin: public Bird {
public:
virtual void fly() { error(" 嘗試讓一只 企鵝飛行！ ”);}
...
};
一定要認(rèn)識(shí)到：這樣做不一定能達(dá)到預(yù)期效果。因?yàn)檫@并不是說(shuō)“企鵝不會(huì)飛”，而是說(shuō)“企鵝會(huì)飛，但是在它嘗試飛行時(shí)出錯(cuò)了”。
如何找出兩者的區(qū)別呢？我們從捕獲錯(cuò)誤的時(shí)機(jī)入手：“企鵝不能飛”的指令可以由編譯器做出保證，但是對(duì)于“企鵝真正嘗試飛行是一個(gè)錯(cuò)誤”這一規(guī)則的違背只能夠在運(yùn)行時(shí)捕獲。
為了表達(dá)這一契約，“企鵝不能飛行——句號(hào)”，你要確認(rèn)企鵝對(duì)象一定沒(méi)有飛行函數(shù)定義：
class Bird {
... // 不聲明任何飛行函數(shù)
};
class Penguin: public Bird {
... // 不聲明任何飛行函數(shù)
};
現(xiàn)在，如果你嘗試讓一個(gè)企鵝飛行，那么編譯器將對(duì)你的侵犯行為做出抗議：
Penguin p;
p.fly(); / 錯(cuò)誤！
如果你適應(yīng)了“產(chǎn)生運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤”的方法，上文代碼的行為則與你所了解的大相徑庭。使用上文中的方法，編譯器不會(huì)對(duì) p.fly 的調(diào)用做出任何反應(yīng)。第 18 條中解釋了好的接口設(shè)計(jì)能夠防止非法代碼得到編譯。因此你最好使用在編譯室拒絕企鵝嘗試飛行的設(shè)計(jì)方案，而不是僅僅在運(yùn)行時(shí)捕獲錯(cuò)誤。
可能你承認(rèn)你的鳥類學(xué)知識(shí)并不豐富，但對(duì)于初級(jí)幾何你還是有信心的吧，讓我們拿長(zhǎng)方形和正方形再舉一個(gè)例子，這沒(méi)有什么復(fù)雜的吧？
好的，讓我們回答一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題： Square （正方形）類是否應(yīng)該公共繼承自 Rectangle （ 長(zhǎng)方形）類？
你會(huì)說(shuō)：“當(dāng)然可以了！正方形就是一個(gè)長(zhǎng)方形，這地球人都知道。但反過(guò)來(lái)就不成立了。”這一點(diǎn)至少在學(xué)校里是正確的，但我們都已經(jīng)不是小學(xué)生了，請(qǐng)考慮下面的代碼：
class Rectangle {
public:
virtual void setHeight(int newHeight);
virtual void setWidth(int newWidth);
virtual int height() const; // 返回當(dāng)前值
virtual int width() const;
...
};
void makeBigger(Rectangle& r) // 增加 r 面積的函數(shù)
{
int oldHeight = r.height();
r.setWidth(r.width() + 10); // 為 r 的寬增加 10
assert(r.height() == oldHeight); // 斷言 r 的高不變
}
顯然地，這里的判斷永遠(yuǎn)不會(huì)失敗， makeBigger 僅僅改變了 r 的寬，它 的高始終沒(méi)有改變。
現(xiàn)在請(qǐng)觀察下面的代碼，其中使用了公共繼承，從而使得正方形得到與長(zhǎng)方形一致的待遇：
class Square: public Rectangle {...};
Square s;
...
assert(s.width() == s.height()); // 這對(duì)所有的正方形都成立
makeBigger(s); // 根據(jù)繼承關(guān)系， s 是一個(gè)長(zhǎng)方形
// 因此我們可以增加它的面積
assert(s.width() == s.height()); // 對(duì)所有的正方形也應(yīng)成立
第二次判斷同樣不應(yīng)該出錯(cuò)，這也是十分明顯的。因?yàn)檎叫蔚亩x要求長(zhǎng)寬值永遠(yuǎn)相等。
但是現(xiàn)在我們又遇到了一個(gè)問(wèn)題，我們?nèi)绾谓鉀Q下面的沖突呢？
l 在調(diào)用 makeBigger 之前， s 的高與寬相等；
l 在 makeBigger 內(nèi)部， s 的寬值該變了，但是高沒(méi)有；
l 從 makerBigger 返回后， s 的高與寬又相等了。（請(qǐng)注意： s 是通過(guò)引用傳入 makeBigger 中的，因此 makeBigger 改變的是 s 本身，而不是 s 的副本。）
歡迎來(lái)到公共繼承的美妙世界。在這里，你在其他領(lǐng)域（包括數(shù)學(xué)）所積累的經(jīng)驗(yàn)也許不會(huì)按部就班地奏效。這種情況下最基本的問(wèn)題就是：一些對(duì)長(zhǎng)方形可用的屬性（它的長(zhǎng)、寬可以分別修改），對(duì)于正方形而言并不適用（它的長(zhǎng)、寬必須保持一致）。但是，公共繼承要求對(duì)基類成立的一切屬性對(duì)于派生類同樣應(yīng)該能夠成立——一切屬性！這種情況下，長(zhǎng)方形和正方形（以及第 38 條中集合、線性表）的實(shí)例都會(huì)遇到問(wèn)題。因此，使用公共繼承來(lái)構(gòu)建它們之間的關(guān)系顯然是錯(cuò)誤的。編譯器會(huì)允許你這樣做，但是就像我們剛剛所看到的一樣，我們無(wú)法確保代碼是否能夠按要求運(yùn)行。這件事每一位程序員一定深有體會(huì)（往往比其他行業(yè)的人要深得多），這是因?yàn)樵S多情況下代碼能夠通過(guò)編譯，卻并不意味著它能夠正常運(yùn)行。
在我們擁入面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的懷抱時(shí)，多年積累的編程經(jīng)驗(yàn)難道成為了我們的絆腳石嗎？這一點(diǎn)你無(wú)需顧慮。舊有的知識(shí)依然是寶貴的，只是既然你已經(jīng)把繼承的概念添加進(jìn)你大腦中的設(shè)計(jì)方案庫(kù)中，你就應(yīng)該以全新的眼光來(lái)開(kāi)拓自己的感官世界，從而使你在面對(duì)包含繼承的程序時(shí)不會(huì)迷失方向。假如有人向你展示了一個(gè)幾頁(yè)長(zhǎng)的程序，你也可以從企鵝繼承自鳥類、正方形繼承自長(zhǎng)方形這些示例所包含的理念中，找出同樣有趣的東西。這有可能是完成工作的正確途徑，只是這個(gè)可能性并不大。
類間的關(guān)系并不僅限于“ A 是一個(gè) B ”關(guān)系。另外還存在兩個(gè)內(nèi)部類關(guān)系，它們是：“ A 擁有一個(gè) B ”、“ A 是以 B 的形式實(shí)現(xiàn)的”。這些關(guān)系將在第 38 條和第 39 條中講解。由于人們往往會(huì)將上面兩種關(guān)系其中之一錯(cuò)誤地構(gòu)造成“ A 是一個(gè) B ”，因此隨之帶來(lái)的 C++ 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤比比皆是，所以你應(yīng)該確保對(duì)于這些關(guān)系之間的區(qū)別有著充分的理解，只有這樣你才能在 C++ 中分別對(duì)這些關(guān)系做出最優(yōu)秀的構(gòu)造。
銘記在心
l 公共繼承意味著 “A 是一個(gè) B” 的關(guān)系。對(duì)于基類成立的一切都應(yīng)該適用于派生類，因?yàn)榕缮惖膶?duì)象就是一個(gè)基類對(duì)象。