不是抽象类的基类不是好基类

Posted 2021-01-18

开宗明义：不是抽象类的基类不是好基类。为什么这么说？

基类和派生类的关系有如下几种：

基类可以是具体类、虚类和抽象类三种，对派生类没有要求。其中具体类是没有虚函数的类，其所有方法都提供了具体实现；派生类方法如果和基类方法同名，则派生类方法隐藏（overwrite）了基类方法。虚类是包含虚函数的类，所有方法都提供具体实现；派生类如果要提供不同于基类虚方法的实现，则在派生类中提供同名方法，该方法将覆盖（override）基类虚方法。抽象类是包含抽象方法（或称为纯虚方法）的类，抽象方法不提供具体实现，抽象类只用于表示概念，不能直接构造抽象类的对象，抽象类的极端化就是“接口”。

首先，从语义上理解。

派生类和基类一定要满足“is-a”关系，即派生类和基类有类属关系，或者说派生类是基类的一种具体化。基类表示某种概念，派生类表示该概念下的某类具体事物。

让一个类继承自另一个具体类明显是不合理的，即使他们表示的概念很相近，或者他们的关系很紧密，这相当于说事物A是一种事物B。比如让直升机继承自固定翼飞机，明显，直升机并不是一种固定翼飞机，虽然它们有“fly”这个方法。正确的抽象方式是，提取出飞机这个概念作为基类，然后让直升机和固定翼飞机都从基类飞机继承。

让派生类从虚类继承也是不合理的，却是常见的错误思路，在很多OOP入门教材上用滥了的例子。即，虚基类提供默认实现，如果派生类的行为和基类不同，则在派生类中覆盖基类虚方法。

其实，由于虚基类提供了所有方法的实现，说明虚基类并不虚，是一个表示具体事物的具体类。在语义上的问题，同样可以用前述例子来说明。

其次，从程序设计角度理解。

让派生类继承自具体基类的动机在于，派生类的某些行为和具体基类相同，派生类想要重用基类的这部分代码。而在另一些行为上派生类和基类又有差别，于是在派生类实现了和基类同名的方法（为了保持接口一致，所以同名）来定义自己的行为。从虚基类获得派生类的动机同上，同时还享受了多态性的好处。

但是上述方式的问题在于：

1、没有遵循“依赖倒置”原则，应对变化的能力不足。OO设计里的一条重要原则就是：针对抽象编程，而不是针对具体对象编程，这条原则也叫做“依赖倒置”原则。基类充当了类继承树和外部世界之间的界面角色，用户通过基类接口使用这个类继承树。如果用具体基类或虚基类作为界面，当类继承树内部发生变化时，就会影响到用户代码，可能要求用户代码修改或者重新编译。

2、可能造成代码重复。假设派生类重新实现了基类的方法foo，其他方法都相同。如果派生类::foo的实现和基类::foo完全不同，正说明了派生类和基类并没有类属关系，而是在概念上和基类处于同一层次的另一事物。如果派生类::foo的实现和基类::foo相似，只是细节不同，那么它们中必然存在大量实现相同功能的代码，这违反了同一份数据或代码只出现一次的要求，正是bug的主要来源之一；解决方法是提取出抽象类，运用模板方法（template method）模式。

还是以飞机的例子来说明。

方案一，直升机和固定翼飞机的飞行方式完全不同，所以直升机::fly需要完全重新改写固定翼飞机::fly，在概念和实现上都是urgly的。于是有方案二：

方案二，提取抽象类飞机，定义抽象方法fly，然后在其派生类固定翼飞机和直升机中分别实现fly方法。

现在变化来了，要将陆基战斗机和舰载战斗机加入这个体系结构中。我们知道，陆基和舰载飞机在在空中的飞行方式是一样的，不同的是舰载机在起飞和降落时有特殊要求。这意味着，陆基战斗机和舰载战斗机可以重用固定翼飞机::fly方法的大部分代码。

方案三，运用模板方法模式，将飞机起飞方式作为抽象方法，将固定翼飞机提取为抽象类，在陆基战斗机和舰载战斗机中分别实现起飞方法。飞机类和固定翼飞机类都成为了抽象类。

那么，如果按照从具体基类或虚基类发展类继承体系的思路，最后将会得到什么样的设计呢？很可能是下面这样的。

固定翼飞机::fly实现陆基飞行方法；舰载战斗机::fly实现copy固定翼飞机::fly的大部分代码，然后添加舰载起飞方式；直升机::fly完全重写fly方法。它还是可以工作的，不过概念不清，可扩展性差。

结论：

1、如果以具体类或者虚类作为基类，说明抽象得还不够，概念没理清，对象模型需要进一步分析，提取出抽象基类。

2、如果基类和派生类的同名方法实现完全不同，则将此同名方法作为抽象类的抽象方法；如果上述同名方法实现部分相似，则运用模板方法模式设计。

最终得到的类继承树中，所有的叶子节点都是且仅是具体类，根节点和所有中间节点都是且仅是抽象类。如下图：

不是抽象类的基类不是好基类！**