Effective C++: 确定你的 public 继承塑模出 is-a 关系

这是Effective C++的第 32 条款，Make sure public inheritance models “is-a”，中文翻译为：确定你的 public 继承塑模出 is-a 关系。

这是 C++ 面向对象编程中非常重要的一条规则，它强调 C++ 中的 public 继承，其唯一的含义就是 “is-a” 关系。当我们写下 class Derived : public Base { ... }; 时，即是在向编译器和所有阅读代码的人做出一个承诺：每一个 Derived 类型的对象同时也是一个 Base 类型的对象。

这个承诺意味着，所有适用于 Base 对象的行为和属性，也必须同样适用于 Derived 对象。这通常被称为Liskov 替换原则 (Liskov Substitution Principle, LSP)。即如果程序中任何地方需要一个 Base 对象，都可以用一个 Derived 对象去替换它，而程序的行为不应该有任何“意外”的改变。

示例：

class Person { ... };
class Student : public Person { ... }; // 学生 "is-a" 人

void eat(const Person& p); // 任何人都会吃饭
void study(const Student& s); // 只有学生才到校学习

Person p;
Student s;

eat(p); // 正确
eat(s); // 正确，因为学生也是人
study(s); // 正确
// study(p); // 错误，并非所有人都是学生

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文中作者还举了两个经典违法 LSP 的例子。

第一个例子如下：

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

class Penguin : public Bird { ... }; // 糟糕的设计！

cpp

从分类学的角度，企鹅是一种鸟，所以 class Penguin : public Bird { ... } 看起来很正常。但是如果为 Bird 定义一个 fly()方法，这个继承关系承诺了企鹅会飞，但我们都知道这是错误的，违反了 “is-a” 原则。对于这种错误的设计，文中提到了两种修复方法：

在 Penguin 中重新定义 fly() 并让它报错。
```
virtual void fly() {
    throw "企鹅不会飞！"; // 这是一种糟糕的运行时错误
}
```
cpp
但这是一个坏主意，因为一个设计层面的逻辑错误，推迟到了运行时才暴露出来。好的设计应该尽可能在编译期就防止错误。

更合理的继承体系，因为鸟这个概念本身不应该和会飞绑定。

class Bird {
    // ... 关于鸟的通用属性，比如有羽毛、是卵生等
    // 没有 fly() 函数
};

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

class Penguin : public Bird {
    // ... 企鹅特有的属性
};

cpp

这个设计更加精确。Penguin is-a Bird，FlyingBird is-a Bird。这个模型是正确的，因为它没有做出任何错误的承诺。

第二个例子是正方形与矩形的陷阱。从数学直觉上，正方形是一种特殊的矩形。所以 class Square : public Rectangle 似乎完全没有问题。但如果从行为上去分析，假设有一个 Rectangle 类：

class Rectangle {
public:
    virtual void setWidth(int newWidth);
    virtual void setHeight(int newHeight);
    int width() const;
    int height() const;
    ...
};

cpp

Rectangle 的一个核心行为是：它的长和宽可以被独立修改。假设有一个函数依赖于这个行为：

void makeBigger(Rectangle& r) {
    int oldHeight = r.height();
    r.setWidth(r.width() + 10);
    // 我们断言：修改宽度不应该影响高度
    assert(r.height() == oldHeight);
}

cpp

如果我们让 Square 公开继承 Rectangle：

class Square : public Rectangle { ... };

cpp

为了维持“正方形”的特性（长宽必须相等），Square 类的 setWidth 和 setHeight 必须被特殊实现，比如：

void Square::setWidth(int newWidth) {
    // 为了保持正方形特性，必须同时修改长和宽
    Rectangle::setWidth(newWidth);
    Rectangle::setHeight(newWidth);
}

cpp

当我们把一个 Square 对象传给 makeBigger 函数时：

Square s;
s.setWidth(10); // 此时 s 的长和宽都是10
makeBigger(s);  // s "is-a" Rectangle，所以编译通过

cpp

在 makeBigger 内部，oldHeight 被记录为 10。s.setWidth(20) 被调用。根据 Square 的实现，这会把 s 的宽和高都设置成 20。assert(s.height() == oldHeight) 会被触发，因为 s.height() 现在是 20，而 oldHeight 是 10。因此这种继承关系是错误的。