Effective C++条款32：继承与面向对象之（确定你的public继承塑模出is-a关系）

一、“is-a”的概念

• 以C++进行面向对象编程，最重要的一个规则是：public inheritance（公开继承）意味“is-1”（是一种）的关系
• 如果你令class D以public形式继承class B，你便是告诉编译器：
  • 每一个类型为D的对象同时也是一个类型为B的对象。反之不是
  • B对象可使用的地方，D对象一样可以使用。反之不是

演示案例

• 下面Student类public继承于Person

class Person {};
class Student :public Person {};

• 任何获得类型为Person（pointer-to-Person或reference-to-Person）的实参，都可以接受一个Student（pointer-to-Student或reference-to-Student）对象
• 例如：

void eat(const Person& p);
void study(const Student& s);

int main()
{
    Person p;
    Student s;

    eat(p);    //正确
    eat(s);    //正确
    study(s);  //正确
    study(p);  //错误
 
    return 0;
}

• 上面的规则只对public继承才成立。private、protected不成立

二、设计正确的继承模型

• 鸟可以飞，企鹅也是一种鸟。于是我们可能设计下面错误的继承模型：
  • 企鹅虽然属于鸟类，但是企鹅不会飞
  • 设计中，我们错误的将鸟类中的fly()虚函数派生给了Penguin类

//鸟类
class Bird {
public:
    virtual void fly();
};

//企鹅，也继承了fly()虚函数
class Penguin :public Bird {};

• 我们应该修改上面的代码，下面才是合适的模型：

//鸟类
class Bird {
    //无fly()函数
};

//会飞的鸟类
class FlyingBird :public Bird {
public:
    virtual void fly();
};

//企鹅不会飞
class Penguin :public Bird {

};

三、以“编译期”确认关系代替“运行期”确认关系

• 紧接着上面鸟类与企鹅的问题
• 企鹅不会飞，但是我们仍然让Bird定义fly()函数，然后让Penguin继承于Bird，与上面不同的是，我们让Penguin在执行fly()函数的时候报出一个错误（运行期执行）。代码如下：

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

void error(const std::string& msg);
class Penguin :public Bird {
public:
    virtual void fly() {
        error("Attempt to make a penguin fly!");
    }
};

• 上面的代码是在运行期检查这种错误的
• 下面我们设计让编译器在编译的时候检查出企鹅不会飞这种错误。代码如下：

class Bird {
    //无fly()函数
};


class Penguin :public Bird {
    //...
};

Penguin p;
p.fly();

• 总结：
  • 上面我们介绍了检测“企鹅不会飞”这种错误的两种方式。一种为在运行期检测，一种为在编译期检测
  • 当然，我们希望在编译期的时候就确定企鹅不会飞这种关系，因此更希望以第二种方式（编译期）代替第一种方式（运行期）来设计继承关系

四、is-a模型的一些例外

考虑这样一个演示案例

• 我们让正方形类（Square）public继承于矩形类（Rectangle）。如下所示：

• 矩形类的代码定义如下：

class Rectangle {
public:
    virtual void setHeight(int newHeight); //设置高
    virtual void setWidth(int newWidth);   //设置宽

    virtual void height()const; //返回高
    virtual void width()const;  //返回宽
};

• 现在有下面这个函数，下面函数中的assert永远为真，因为函数只改变了宽度，而没有改变高度：

//这个函数用来增加r的面积
void makeBigger(Rectangle& r)
{
    int oldHeight = r.height(); //取得旧高度
    
    r.setWidth(r.width() + 10); //设置新宽度
    
    assert(r.height() == oldHeight); //判断高度是否改变
}

• 正方形类的代码定义如下：

class Square :public Rectangle {
    //...
};

• 现在有下面的代码：

Square s; //正方形类

//...

assert(s.width() == s.height()); //永远为真，因为正方形的宽和高相同
makeBigger(s); //由于继承，我们可以增加正方形的面积

//...
assert(s.width() == s.height()); //对所有正方形来说，应该还是为真

• 现在考虑上面的代码：
  • 第一步，我们判断正方形的宽和高，根据原理，assert应该返回真
  • 第二步，调用makeBigger()函数，这个函数改变了宽度，而没有改变高度
  • 第三步，再次调用assert应该还是返回真，因为此处的s为正方形
• 现在我们可以看到：
  • 前面我们虽然提到过，作用于基类的代码，使用派生类也可以执行
  • 但是此处我们可以看到，某些施行于矩形类中的代码（例如只改变宽度而不改变高度），在长方形中却不可以实施（因为长方形的宽度和高度应该保持一致）
  • is-a并非是唯一存在于classes之间的关系。另两个常见的关系是has-a（有一个）和is-implemented-terms-of（根据某物实现出）。这些关系将在条款38和39介绍。在这些相互关系的塑造为is-a会造成错误设计

五、总结

• “public继承”意味着is-a。适用于base classes身上的每一件事情一定也适用于derived classes身上，因为每一个derived class对象也都是一个base class对象