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C++中繼承與組合的差別

對象和類是C++中的重要内容,對象(Object)是類(Class)的一個執行個體(Instance)。面向對象設計的重點是類的設計,而不是對象的設計。對于C++程式而言,設計孤立的類是比較容易的,難的是正确設計基類及其派生類。這就和“繼承”(Inheritance)和“組合”(Composition)有重要聯系了。類的組合和繼承都是軟體重用的重要方式。但二者的概念和用法不同。

繼承描述的是類與類之間的一般與特殊的關系,即如果A是B的一種,則允許A繼承B的功能和屬性。例如汽車是交通工具的一種,小汽車是汽車的一種。那麼汽車類可從交通工具類派生,小汽車類可以從汽車類派生。

組合描述的是類與類之間的整體與部分的關系,即如果在邏輯上A是B的一部分,則允許A和其他資料成員組合成B。例如:發動機、車輪、電池、車門、方向盤、底盤都是小汽車的一部分,它們組合成汽車,而不能說發動機是汽車的一種。

class Student      //學生類

{public:

     Student(int n=0, string na="", char s='m', int a=0)

     {  num=n; name=na; sex=s; age=a;  }

     …

private:

    int num;

    string name;

    char sex;

    int age;

  };

class Date     //生日類

{public:

       Date(int y=0, int m=0, int d=0); //構造函數

       {  year=y; month=m; day=d;  }

       …

private:

      int year;

      int month;

      int day;

};

class Graduate: public Student     //研究所學生類

{public:

      Graduate(int n=0,string na="",char s='m',int a=0,

      int y=0,int m=1,int d=1,float p=0):

      Student(n, na, s, a),birthday(y, m, d){  pay=p;  }

      …

private:

      Date birthday;

      float pay;

};

Graduate類通過繼承,從Student類得到了num,name,sex,age等資料成員,通過組合,從Date類得到了year,month,day等資料成員。繼承是縱向的,組合是橫向的。

如果A是基類,B是A的派生類,那麼B将繼承A的資料和函數。例如:

class A

{

public:

void Func1(void);

void Func2(void);

};

class B : public A

{

public:

void Func3(void);

void Func4(void);

};

main()

{

B b;

b.Func1(); // B從A繼承了函數Func1

b.Func2(); // B從A繼承了函數Func2

b.Func3();

b.Func4();

}

這個簡單的示例程式說明了一個事實:C++的“繼承”特性可以提高程式的可複用性。正因為“繼承”太有用、太容易用,才要防止亂用“繼承”。我們應當給“繼承”立一些使用規則。

【規則1】如果類A和類B毫不相關,不可以為了使B的功能更多些而讓B繼承A的功能和屬性。

【規則2】如果類B 有必要使用A 的功能,則要分兩種情況考慮:

(1)若在邏輯上B 是A 的“一種”(a kind of ),則允許B 繼承A 的功能。如男人(Man)是人(Human)的一種,男孩(Boy)是男人的一種。那麼類Man 可以從類Human 派生,類Boy 可以從類Man 派生。示例程式如下:

class Human

{

};

class Man : public Human

{

};

class Boy : public Man

{

};

注意事項

看起來很簡單,但是實際應用時可能會有意外,繼承的概念在程式世界與現實世界并不完全相同。

例如從生物學角度講,鴕鳥(Ostrich)是鳥(Bird)的一種,按理說類Ostrich應該可以從類Bird派生。但是鴕鳥不能飛,那麼Ostrich::Fly是什麼東西?

class Bird

{

public:

virtual void Fly(void);

};

class Ostrich : public Bird

{

};

例如從數學角度講,圓(Circle)是一種特殊的橢圓(Ellipse),按理說類Circle應該可以從類Ellipse派生。但是橢圓有長軸和短軸,如果圓繼承了橢圓的長軸和短軸,豈非畫蛇添足?

是以更加嚴格的繼承規則應當是:若在邏輯上B是A的“一種”,并且A的所有功能和屬性對B而言都有意義,則允許B繼承A的功能和屬性。

(2)若在邏輯上A是B的“一部分”(a part of),則不允許B從A派生,而是要用A和其它東西組合出B。

例如眼(Eye)、鼻(Nose)、口(Mouth)、耳(Ear)是頭(Head)的一部分,是以類Head應該由類Eye、Nose、Mouth、Ear組合而成,不是派生而成。示例程式如下:

class Eye

{

public:

void Look(void);

};

class Nose

{

public:

void Smell(void);

};

class Mouth

{

public:

void Eat(void);

};

class Ear

{

public:

void Listen(void);

};

// 正确的設計,雖然代碼冗長。

class Head

{

public:

void Look(void) { m_eye.Look(); }

void Smell(void) { m_nose.Smell(); }

void Eat(void) { m_mouth.Eat(); }

void Listen(void) { m_ear.Listen(); }

private:

Eye m_eye;

Nose m_nose;

Mouth m_mouth;

Ear m_ear;

};

示例 Head由Eye、Nose、Mouth、Ear組合而成

如果允許Head從Eye、Nose、Mouth、Ear派生而成,那麼Head将自動具有Look、 Smell、Eat、Listen這些功能。

// 功能正确并且代碼簡潔,但是設計方法不對。

class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear

{

};

上述程式十分簡短并且運作正确,但是這種設計卻是錯誤的。很多程式員經不起“繼承”的誘惑而犯下設計錯誤。

“運作正确”的程式不見得是高品質的程式,此處就是一個例證。