Effective C++条款32：确定你的public继承塑模出is-a关系（Make sure public inheritance models “is-a.“）

《Effective C++》是一本轻薄短小的高密度的“专家经验积累”。本系列就是对Effective C++进行通读：

第6章：继承与面向对象设计

条款32：确定你的public继承塑模出is-a关系

1、什么是public继承的”is-a”关系

• 在C++面向对象准则中最重要的一个规则是：public inheritance（公开继承）意味着“is-a”。记住这个规则。

  如果你实现一个类D(derived)public继承自类B(base),你就是在告诉c++编译器（也在告诉代码阅读者），每个类型D的对象也是一个类型B的对象，反过来说是不对的。你正在诉说B比D表示了一个更为一般的概念，而D比B表现了一个更为特殊的概念。你在主张：任何可以使用类型B的地方，也能使用类型D，因为每个类型D的对象都是类型B的对象；反过来却不对，也就是可以使用类型D的地方却不可以使用类型B：D是B，B不是D。

  C++ 会为public继承强制执行这个解释。看下面的例子：

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

  从日常生活中我们知道每个学生都是一个人，但并不是每个人都是学生。这正是上面的继承体系所主张的。我们期望对人来说为真的任何事情——例如一个人有出生年月——对学生来说也是真的。我们不期望对学生来说为真的任何事情——例如在一个特定的学校登记入学——对普通大众来说也是真的。人的概念比学生要更加一般化；而学生是人的一个特定形式。

  在C++的领域内，需要Person类型（或者指向Person的指针或者指向Person的引用）参数的任何函数也同样可以使用Student参数（或者指针或引用）：

void eat(const Person& p);     // 任何人都可以吃
void study(const Student& s);            // 只有学生才到校学习
Person p;                            // p 是人
Student s;       // s 是学生
eat(p);    // 没问题，p是人
eat(s);    // 没问题，s是学生，学生也是人
study(s);        
study(p);        // error! p 不是个学生

  这个论点只对public继承才成立。只有当Student公共继承自Person的时候，其行为表现才会如上面所描述的。Private继承的意义就完全变了（见条款39）,protected继承是至今都让我感到困惑的东西。

2、设计正确的继承模型

  Public继承和”is-a”是等价的听起来简单，但有时候你的直觉会误导你。举个例子，企鹅是鸟的一种这是个事实，鸟能飞也是事实。如果尝试用C++表示，结果如下：

class Bird {
public:virtual void fly();        // 鸟可以飞    ...
};
class Penguin: public Bird {    // 企鹅是一种鸟...
};

2.1 更加精确的建模

• 对上面的代码进行修改
  在这种情况下，我们是一种不精确语言——英语——的受害者。当我们说鸟能飞，我们并没有说所有的鸟都能飞，通常情况下只有有这个能力的才行。如果更加精确一些，我们能够识别出有一些不能飞的鸟的种类，就可以使用如下的继承体系，它更好的模拟了现实：

//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 {...
};

2.2 产生运行时的错误

  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!");}
};

  上面的代码并没有说，“企鹅不能飞。”而是说，“企鹅能飞，但是它们如果尝试这么做会是一个错误”。

2.3 对比

• 为了表现“企鹅不会飞，就这样”的限制，你不可以为Penguin定义fly函数：

class Bird {//无fly()函数
};
class Penguin :public Bird {...
};

• 如果你尝试让企鹅飞起来，编译器会谴责你的行为：

Penguin p;
p.fly();//error！

  这和采取“令程序于运行期发生错误”的解法不同。如果你使用运行时报错的方法，编译器对p.fly的调用不会有什么动作。条款18说过：好的接口应该在编译期就能够阻止无效代码，所以比起只能在运行时才能侦测出来错误的设计，你应该更加喜欢在编译期就能拒绝企鹅飞行的设计。

3、is-a模型的一些例外

  每个人都知道长方形和正方形，那么，正方形类应该public继承自长方形类么？

  你会说“当然应该！每个人都知道正方形是一个矩形，反之却不成立。”再真不过了，至少学校是这样教的。但是我不认为我们还在象牙塔内。

  考虑这段代码：

class Rectangle {
public:virtual void setHeight(int newHeight); //高virtual void setWidth(int newWidth);   //宽 virtual void height()const; //返回高virtual void width()const;  //返回宽...
};void makeBigger(Rectangle& r) //这个函数用来增加r的面积
{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
}

  显然，上述的 assert 结果永远为真，makeBigger只会修改r的宽度。r的高度永远不会被修改。

  现在考虑下面的代码，使用public继承，可以使正方形被当作矩形处理：

class Square :public Rectangle { ... };
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

很清楚的是第二个assert结果也应该永远为真。根据定义，一个正方形的宽度和高度应该一样。

但是现在我们有一个问题。我们怎么如何调解下面各个 assert 判断式？

• 在调用makeBigger之前，s的高度和宽度是相同；

• 在makeBigger里面，s的宽度被改变了，但是高度不变；

• 再次调用assert应该还是返回真，因为此处的s为正方形（注意s被按引用传递给makeBigger，所以makeBigger修改了s本身，而不是s的拷贝）

现在我们知道：

• 作用于基类的代码，使用派生类也可以执行。

• 但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和条款39介绍。在这些相互关系的塑造为is-a会造成错误设计。

6、牢记

• “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。

总结

期待大家和我交流，留言或者私信，一起学习，一起进步！