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最重要的東西的故事。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,假如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布滿趣味的事情。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的內容。 在課程結束的時候,期末考試的最后一道題是:“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。”當 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 時唯一最重要規(guī)則就是:public inheritance(公開繼續(xù))意味著 "is-a"。要讓這個規(guī)則刻骨銘心。
假如你寫了一個 class D ("Derived") 從 class B ("Base") 公開繼續(xù),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 更非凡的概念。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,假如你需要一個類型為 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。考慮這個例子:
class Person {...};
class Student: public Person {...}; 我們從日常的經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。這就是由這個繼續(xù)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。
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。假如我們天真地試圖用 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 ... }; 忽然間我們碰到了麻煩,因為這個繼續(xù)體系表示企鵝能飛,我們知道這不是真的。發(fā)生了什么呢?
void error(const std::string& msg); // defined elsewhere
class Penguin: public Bird { public: virtual void fly() { error("Attempt to make a penguin fly!");} ... }; 認可“這里所說的一些事情與你所想的可能不同”是很重要的。這不是說“企鵝不能飛”。而是說“企鵝能飛,但對它試圖真的這樣做就是一個錯誤”。
virtual int height() const; // return current values virtual int width() const;
...
};
void makeBigger(Rectangle& r) // function to increase r’s area { int oldHeight = r.height();
r.setWidth(r.width() + 10); // add 10 to r’s width
assert(r.height() == oldHeight); // assert that r’s } // height is unchanged 很清楚,斷言應該永遠不會失敗。makeBigger 僅僅改變了 r 的寬度,它的高度始終沒有變化。
現(xiàn)在,考慮以下代碼,使用 public inheritance 使得 squares 可以像 rectangles 一樣進行處理:
class Square: public Rectangle {...};
Square s;
...
assert(s.width() == s.height()); // this must be true for all squares
makeBigger(s); // by inheritance, s is-a Rectangle, // so we can increase its area
assert(s.width() == s.height()); // this must still be true // for all squares 和剛才那個一樣明顯,第二個斷言也應該永遠不會失敗。根據定義,正方形的寬度和高度是相等的。
但是,現(xiàn)在有一個問題,我們怎樣才能協(xié)調以下斷言?
調用 makeBigger 之前,s 的高度和它的寬度相等;
在 makeBigger 內,s 的寬度發(fā)生變化,但是它的高度沒有變化;
從 makeBigger 返回之后,s 的高度還要和它的寬度相等。(注重 s 是通過 by reference 方式傳入 makeBigger 的,所以 makeBigger 能改變 s 自身,而不是 s 的拷貝。)
歡迎來到 public inheritance 的奇妙世界,你在其它學習領域——包括數學——中發(fā)展起來的本能,可能不再像你所期望的那樣幫助你。在這種情況下,基本的難點在于一些適用于矩形(它的寬度可以獨立于他的高度而自行變化)的事情不適用于正方形(它的寬度和高度必須相等)。但是 public inheritance 斷言,適用于 base class objects(基類對象)的每一件事——每一件事!——也適用于 derived class objects(派生類對象)。在矩形和正方形的情況下,這個斷言失效,所以用 public inheritance 模擬它們的關系是完全錯誤的。編譯器答應你這樣做,但是就像我們已經看到的,它不能保證代碼的行為正確。每一個程序員都必須熟悉到,僅僅通過編譯的代碼,并不意味著它可以工作。