繼承 (Inheritance)

適當繼承 (Proper Inheritance)

衍生類別的物件在語意上 (semantically) 必須完全取代 (substitute) 基礎類別物件在任意客戶模組中運作 -- 這是類別間 "is-a" 關係的操作型定義

注意：

使用繼承語法的衍生類別物件在語法上當然可以百分之百地取代其基礎類別的物件， 但是要在 "語意" 上能夠取代才算是遵循物件導向的設計， 不但直覺上要能取代， 還要滿足下列的測試：

1. Base class does not provide more services than derived class does. (Derived class can add whatever new services without any constraint.)

2. Specifications of derived class "services" a. require no more (input parameters) b. promise no less (output parameters and return value) than specifications of corresponding services in the base class. i.e. WEAKER REQUIREMENT, STRONGER PROMISE

物件導向程式設計希望藉由 "繼承" 來重用基礎類別之所有程式碼， 同時更重要的是重用所有使用原來基礎類別物件的客戶模組程式碼， 也就是界面的重用。

注意：

1. 此處所謂的 "重用" 是指完全不需要更改任何一點程式碼

2. 我們可以將類別的定義、製作、及服務視為伺服模組 (server)， 而將所有使用此類別之程士模組視為客戶模組 (client)

3. 程式碼的重用可以分為兩大類：subroutine 及 factoring

範例：

#include <iostream.h> class Base { public: virtual int f(int x); // REQUIRE: x must be odd // PROMISE: RESULT will be even virtual ~Base() {} }; class Derived: public Base // This is PROPER inheritance { public: virtual int f(int x); // REQUIRE: x any integer <- WEAKER // PROMISE: RESULT will be 8 <- STRONGER }; int Base::f(int x) { if (x % 2 == 0) throw "Even!"; return x+1; } int Derived::f(int x) { return 8; } void userCode(Base &base) { int result = base.f(37); if (result % 2 == 1) cerr << "PANIC: this is not what base class promises\n"; } main() { Base b; userCode(b); Derived d; userCode(d); }

不適當的繼承 (Improper Inheritance) 是一種設計的錯誤

什麼是 improper inheritance?
• derived class objects are not substitutible w.r.t. their base class objects
• specs of inherited serviecs requires MORE or promises LESS than the corresponding specs in the base class
• base class provides more services than the derived class

症狀：

• user code (client code) 必須使用 dynamic typing (run time type checks, capability queries, or down casting)

  範例：Capability Query

  class Printer { public: virtual int brand() = 0; ... }; class HPPrinter : public Printer { public: virtual int brand() { return 1; } // HP ... }; class EpsonPrinter : public Printer { public: virtual int brand() { return 2; } // Epson ... }; void userCode(Printer &thePrinter) { if (thePrinter.brand() == 1) // HP ... else if (thePrinter.brand() == 2) // Epson ... else if (...) ... else if (...) ... ... ... } void main() { EpsonPrinter p; userCode(p); }
• 以不同方式處理同一基本類別之不同衍生類別物件

後果：

• BUGS
• 複雜的 client code (run time type checks ...)
• increased maintenence (一旦衍生某一類別, 所有基本類別之客戶模組都要重新分析, 修改)
• reduced extensibility
• 根本沒有重用到原來基礎類別的客戶模組 (說嚴重點也可以說根本沒有重用到基礎類別的界面)

例如：

• "Stack" is not a kind of "List" (A list provides more services than a stack.)
• "List of Apple" is not a kind of "List of Fruit". (針對 List of Fruit 的 spec, 我們可以將任何一種水果加入 List 中)

另外，隨著應用的不同，下面的範例通常不能用繼承的語法來實作：

• A Circle may not be a Point. (兩點可以連成一直線，三點可以決定一平面)
• A Circle may not be an Ellipse. (橢圓有兩個長度不等的軸)
• An Ostrich may not be a Bird. (鴕鳥不會飛)
• An Integer may not be a Rational Number. (兩個整數間不見得有另外一個整數)

Contravariance:

• a direved class shouldn't shock users of the base class, ie. substitutability.
• 功能：holds OO technology together

適應式的規格 (adaptable specification)

物件的實作 (implementation) 比規格 (specification) 要求的還要嚴格

例如：下面的 Base::f() 函式

#include <iostream.h> class Base { public: virtual int f(); // PROMISE: result will be even <- spec virtual ~Base() {} }; class Derived: public Base { public: virtual int f(); // PROMISE: result will be 8 <- spec }; int Base::f() // allow to return any even number { return 4; // implementation } int Derived::f() { return 8; } void userCode(Base &base) { int result = base.f(); if (result%2 == 1) // must expect an even number cerr << "PANIC:\n"; // must not assume it is 4 } // relies only on specification void main() { Base b; userCode(b); Derived d; userCode(d); // substitutable }

注意：

• Never assume that a class will always be implemented as it is currently implemented.
• Substitutability ties to the specification only, instead of implemenation.
• Never hide a public member function that a class inherits through public inheritance. 這種狀況必然是不適當的繼承， 因為在衍生類別中成員函式無法符合基礎類別的規格， 通常是一種錯誤的設計， 最好改用聚合 (composition) 來完成軟體的重用。

物件導向設計中繼承的概念常常與 "特殊化 (specialization)" 混淆

現象：
• 在生物的進化中， 我們常常觀察到子孫不但具有祖先的特徵外， 還有一些為了適應環境逐漸增加的特徵 (特殊化的概念)
• 衍生 (derive) 在邏輯上有導出 (imply) 的意思， 由簡單的假設導出特殊的結論

可是物件導向中的 "繼承" 不是 "特殊化 (specialization)"

原因有二：

1. "特殊化" 是一個模稜兩可的概念
   例如：
   

   "better than"	Jetplane is a special plane.
   "more skilled"	Doctor is a specialized person.
   "subset of"	Circle is a special ellipse. Ostrich is a special bird.
   "more specific"	Unix is a special operating system.
   "restricted"	A bag that can only contain tennis ball is a specialized bag that can contain any kinds of balls.

2. "特殊化" 在許多情況下並不代表衍生類別必須完全支援基礎類別所定義的所有方法 (methods)

物件導向設計中繼承的概念常常與集合論中 "部份集合 (subset)" 混淆

現象：
圓是橢圓的部份集合 (圓是一種橢圓)
鴕鳥是鳥類的部份集合 (鴕鳥是一種鳥)

主要原因是集合通常處理的是量化的特徵， 並非物件所有的特徵， 在繼承的觀念中， "是一種 (is-a)" 不是考慮量化的的部份特徵， 而是物件功能全面性地 "取代 (substitution)"。