威廉 德門特在他的著作《幾人留守幾人眠》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。德門特強(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)。德門特繼續(xù)講，對(duì)于他的課堂上的學(xué)生，只有幾條核心的信息，其中還包括一條有趣的結(jié)論——“安眠藥最終會(huì)導(dǎo)致失眠”。他請(qǐng)求他的學(xué)生們一定要記住這些核心信息，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)麻T特閱卷的時(shí)候，差點(diǎn)兒沒昏過去。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]有之一）的一條原則：公共繼承意味著“A是一個(gè)B”關(guān)系。這條原則一定要深深的印在腦子里。
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，但是反過來(lái)不成立。你要表達(dá)的是：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)镈類型的每個(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。上面的代碼精確的體現(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（比如人有出生日期，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)（或指向Person的指針或引用）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是由Person公共派生而來(lái)時(shí)，C++才會(huì)按剛才描述的情景運(yùn)行。私有繼承將引入一個(gè)全新的議題（我們?cè)跅l目39中討論）。受保護(hù)的繼承我至今也沒有弄明白，暫且不談。
公共繼承和“A是一個(gè)B”的等價(jià)性聽上去很簡(jiǎn)單，但是有時(shí)你的直覺會(huì)誤導(dǎo)你。比如說(shuō)，“企鵝是鳥”這是千真萬(wàn)確的，同時(shí)，“鳥會(huì)飛”也是不爭(zhēng)的事實(shí)。如果我們?cè)贑++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(); // 鳥會(huì)飛
...
};
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”問題，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)行時(shí)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”。這一點(diǎn)很重要。
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：“企鵝不會(huì)飛”的指令可以由編譯器做出保證，但是對(duì)于“企鵝在嘗試飛行時(shí)出錯(cuò)”這一規(guī)則的違背只能夠在運(yùn)行時(shí)捕獲。
為了表達(dá)這一約束，“企鵝不能飛行——句號(hào)”，你要確認(rèn)企鵝對(duì)象一定沒有飛行函數(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)。條目18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，這沒有什么復(fù)雜的吧？
好，請(qǐng)回答一個(gè)簡(jiǎn)單的問題：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)問題，我們?nèi)绾螀f(xié)調(diào)下面的斷言呢？
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，但是高沒有；
l 從makerBigger返回后，s的高與寬又相等了。（請(qǐng)注意：s是通過引用傳入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)基類成立的一切對(duì)于派生類同樣應(yīng)該能夠成立——一切的一切！這種情況下，長(zhǎng)方形和正方形（以及條目38中集合、線性表）的實(shí)例都會(huì)遇到問題。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），因?yàn)樵S多情況下代碼能夠通過編譯并不意味著它能夠正常運(yùn)行。
在我們投入面向?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)系將在條目38和條目39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，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。
時(shí)刻牢記
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。