到底誰該去繼承誰？物件導向初學者應該要知道的事情(三) @ 牛奶生活日記

　　文章已寫完，因為文章太長，原訂第五部份：抽象類別，挪移到第四集的內容中，圖形的問題尚未解決，請見諒！

一、形狀問題
二、經典的程式碼
三、還有其他寫法
四、不要只為了reuse而使用繼承
五、抽象類別：用共同的方法來操作不同的物件

引言：

　　物件導向技術是以物件為中心在思考問題，先前的兩篇文章，探討了物件導向技術中的物件可以是什麼？以及如何決定要實作出哪些物件？接下來的文章，則要探討物件和物件之間的關係。

　　物件和物件之間的關係有繼承、組合、聚合、使用等四種，哦！對了，還有另一種關係，叫做完全無關。關於這四種關係的差別，在每一本物件導向或UML的書中都會提到，但是物件導向就是這麼神秘，即使看盡了書中的詳細說明，當第一次上路的時候，還是會手足無措，不知如何把書中的知識應用上來，這就是理論與實務上的差距。

　　物件導向世界中最經典案例為"形狀問題"，本文將帶領讀者徹頭徹尾思索一遍形狀問題，提出六支不同的程式來解決同一個問題，並指出每支程式個別的優劣之處，以實際案例的程式碼，讓讀者體會實務面的考量會有哪些？

一、形狀問題

　　事不宜遲，就讓我們直接來看看題目：

請寫一支程式在螢幕上畫出簡單幾何圖形，並計算各自的面積，這些幾何圖形包含：圓形、橢圓形、正方形、矩形。請問在不同形狀之間的繼承關係為何？

　　我們提供了三種典型的答案，如下圖，請先看過，並從中選擇一個答案，然後在腦中思考為何會選擇這個答案，想清楚之後才繼續往下看文章。

答案一：圓形繼承橢圓形

選擇原因：依據真實世界的原則，衍生類別是一種(is a kind of)基礎類別

　　橢圓有比較扁的橢圓，也有比較方的橢圓，而正圓是眾多橢圓中的一種，換句話說，正圓是一種(is a kind of)橢圓。

　　橢圓有長徑與短徑，當長徑的長度與短徑相等的時候，這種橢圓就叫做正圓，而這個時候的長短徑統稱為半徑，正圓不過是橢圓的一種特殊情形，所以說，正圓亦是一個(is a)橢圓。

參考程式碼：

class Shape {
public:
virtual int area() {}
virtual void display() {}
};

class Ellipse : public Shape {
public:
    int radius1, radius2;
    Ellipse(int r1=0, int r2=0) : radius1(r1), radius2(r2) {}
    virtual int area() { return radius1 * radius2 * 3.1415926; }
    virtual void display() { ... }
};

class Circle : public Ellipse {
public:
    int radius;
    Circle(int r=0) : radius(r) {}
    int area() { return radius * radius * 3.1415926; }
    void display() { ... }
};

　　問題來了，首先是成員名字的問題：在橢圓裡的長徑與短徑，到了正圓中都變成了半徑，你所使用的程式語言是否有支援更換成員名字的語法？

　　如果成員名字的問題無法解決，就會產生第二個問題：Ellipse與Circle各有一個方法叫做area()，那麼當Circle轉型為Ellipse之後，這個時候去叫用area()會叫用到Ellipse的area()還是Circle的area()？

class Circle : public Ellipse {
public:
    /* 遮蓋Ellipse的radius1與radius2，並使其與radius連動 */
    Circle(int r=0) : Ellipse(r, r) {}
    int getRadius() { return radius1; }
    void setRadius(int r) { radius1 = radius2 = r; }
    /* 直接使用Ellipse的area()與display() */
};

　　若想盡辦法要解決上述兩個問題，就可能會寫出類似getRadius()與setRadius()這般彆扭的程式碼來！況且即使如此，仍無法將Ellipse的radius1與radius2遮蓋掉，還是有可能不小心直接存取了radius1或radius2。

答案二：橢圓形繼承圓形

選擇原因：依據程式設計實務，衍生類別要比基礎類別還多了一些特徵

　　圓形有一個半徑，橢圓形則有兩個半徑：長徑與短徑，可見得橢圓形比圓形多了一些特徵，因此依據程式設計實務，橢圓形應該要去繼承圓形，除了可以拿到圓形的特徵之外，還可以加上橢圓形特有的特徵。

參考程式碼：

class Shape {
public:
virtual int area() {}
virtual void display() {}
};

class Circle : public Shape {
public:
    int radius;
    Circle(int r=0) : radius(r) {}
    virtual int area() { return radius * radius * 3.1415926; }
    virtual void display() { ... }
};

class Ellipse : public Circle {
public:
    int radius2;
    Ellipse(int r1=0, int r2=0) : Circle(r1), radius2(r2) {}
    int area() { return radius * radius2 * 3.1415926; }
    void display() { ... }
};

　　畢竟是從實務上出發，使得所設計出的程式碼看似完美無瑕，但卻有一個邏輯上的誤謬之處：既然橢圓形繼承了圓形，橢圓形直接就拿到了圓形的所有特徵，那麼為何橢圓形要重寫area()方法，把基礎類別的特徵給覆蓋掉呢？

驚人的結論：

　　為圖一時方便所寫出來的程式，有可能和真實世界的邏輯是相違背的，但是程式執行的結果仍然是正確的。

注意：

　　答案二錯誤的應用了程式設計實務：衍生類別確實比基礎類別要多一些特徵，但在形狀問題中，衍生類別比基礎類別多出來的不是如半徑之類的實際特徵，而是多了一條但書，一項限制：長徑等於短徑。若以但書的概念來重新設計程式，竟會產出和答案一完全一致的程式碼，也同樣的會遇到名字問題。這個世界真奇妙，以不同的概念出發，竟會寫出一模一樣的程式碼！

答案三：互相不繼承

選擇原因：依據人類的直覺，井水不犯河水，避免一切麻煩事

　　有兩種初學者會選擇互相不繼承，第一種是：沒有想太多，只是覺得圓形和橢圓形就是不一樣。第二種是：觀察入微，發現不管是誰繼承誰，都會惹來一身麻煩，並且想不到好方法去解決它，最後乾脆選擇互相不繼承，井水不犯河水，保持距離以策安全。

參考程式碼：

class Shape {
public:
virtual int area() {}
virtual void display() {}
};

class Ellipse : public Shape {
public:
    int radius1, radius2;
    Ellipse(int r1=0, int r2=0) : radius1(r1), radius2(r2) {}
    int area() { return radius1 * radius2 * 3.1415926; }
    void display() { ... }
};

class Circle : public Shape {
public:
    int radius;
    Circle(int r=0) : radius(r) {}
    int area() { return radius * radius * 3.1415926; }
    void display() { ... }
};

　　這支程式寫起來比先前的兩支要容易些，由於它將圓形與橢圓形視為完全無關的兩種形狀，藉此擺脫了幾何學的糾纏。程式碼本身沒有什麼學問，不需要再多做講解，但是各位需要在自己的心裡盤算一下：這麼做真的好嗎？以下的章節將會從不同的角度來解答這個問題。

二、經典的程式碼

　　圓形和橢圓形有許多共同的特性，這使得答案三的兩個類別看起來十分神似，卻又有些微的差異存在，例如：兩個類別的area()方法幾乎長得一模一樣。

　　假設未來的某一天，程式設計師想要更精確的計算出物件的面積，他有可能會以double的運算來取代int的運算，這時就要同時修改Ellipse和Circle的area()方法，而且兩次所修改的地方與修改方式將會一模一樣。而另一個情況是，如果計算面積的公式有錯誤，(這的確會發生，我先前就是把橢圓面積的公式背錯了，導致所有程式的執行結果都不正確，所幸即時發現並修正了這個錯誤)，那麼Ellipse與Circle的area()方法都要修正，如果因為疏忽而只修改了其中之一，那麼錯誤仍然沒有完全修正掉。

　　一個擁有良好設計的程式碼，須具備以下的特性：

一個擁有良好設計的程式碼，在進行維護修改時，同樣的修改會集中在一個地方，而不是將類似的修改重複應用到許多不同的地方。

　　讓我們來看看，要如何修改答案三的程式碼，讓它具備上述的擁有良好設計程式碼的特性。

　　所有初學者都知道：物件要對應到真實世界中。相信在練習形狀問題時，每個人都很努力的在思考真實世界中各種形狀之間的關係，偏偏大家的答案就是不一樣，答案一、二、三都有人選擇，甚至還可能會為自己所選的答案與別人爭論不休。但其實還有第四種選擇，如下圖，這是初學者所無法想像到的一種情況，您看了這張圖之後，是否在心理驚呼：「原來是這樣子啊！為什麼我沒有想到呢？」

圖二

答案四：圓形與橢圓形都繼承圓的形狀

選擇原因：依據精益求精的精神，集合各家的優點於一身

　　系出同門的圓形與橢圓形擁有許多共同的特性，卻也擁有各自獨特的特性，故兩者互相不繼承，但它們全都繼承了圓的形狀。藉由繼承來消除重複的程式碼，同時又擁有各自的操作方式，(圓形有一個半徑，但橢圓形卻有兩個半徑)。

參考程式碼：

class Shape {
public:
virtual int area() {}
virtual void display() {}
};

class RoundShape : public Shape {
protected:
    int radius1, radius2;
public:
    RoundShape(int r1=0, int r2=0) : radius1(r1), radius2(r2) {}
    int area() { return radius1 * radius2 * 3.1415926; }
    void display() { ... }
};

class Ellipse : public RoundShape {
public:
    int getRadius1() { return radius1; }
    int getRadius2() { return radius2; }
    void setRadius1(int r) { radius1 = r; }
    void setRadius2(int r) { radius2 = r; }
    Ellipse(int r1=0, int r2=0) : RoundShape(r1, r2) {}
};

class Circle : public RoundShape {
public:
    int getRadius() { return radius1; }
    void setRadius(int r) { radius1 = radius2 = r; }
    Circle(int r=0) : RoundShape(r, r) {}
};

　　這支程式十分經典，它完完全全的對應到真實世界上，非常忠實的反映了形狀、圓的形狀、圓形、橢圓形這四者之間的關係。除此之外，還非常巧合的兼顧了程式設計上的實務考量，所以說，"對應到真實世界"可以在無形之中獲得不少意料之外的好處，但先決條件是，你必須要"夠深入"的了解真實世界，否則可能就會設計出如答案一、二、三這類自以為了解真實世界的半調子程式碼來。

　　話雖如此，但實際的情形也可能是誤打誤撞，不小心寫出了這支經典程式。或許一開始寫出來的程式碼比較像答案三，但左看右看總覺得答案三的重複程式碼非常不妥，因而將重複的程式碼提出來，另外寫成一個類別，就變成了答案四：圓形與橢圓形都繼承圓的形狀。

　　這支程式比較可惜的地方是，getRadius()與setRadius()用起來比較彆扭，這雖然是程式語言上的限制所造成的，但不巧的是，市面上流行的程式語言都有這限制。

　　耶！歷經千辛萬苦，我們的程式碼終於能夠完全對應到真實世界了，但光是這樣並不夠，我們要做得比真實世界更棒！請耐心的繼續看下去，文章越到後面越是精采。

三、還有其他寫法

　　首先讓我們來看看不同於前述經典程式碼的其他寫法。

答案五：用包含來reuse程式碼

選擇原因：依據"我掰不出來了"的精神，先看看程式碼再說吧！

　　經典程式碼以繼承來消除重複的程式碼，達到reuse程式碼的目的，這支程式則以包含的技巧來達到相同的目的。

　　圓形(與橢圓形)中宣告了一個圓的形狀的成員，因而直接獲得了圓的形狀的所有能力，而不是經由繼承圓的形狀來獲得這些能力。

參考程式碼：

class Shape {
public:
virtual int area() {}
virtual void display() {}
};

class RoundShape : public Shape {
public:
    int radius1, radius2;
    RoundShape(int r1=0, int r2=0) : radius1(r1), radius2(r2) {}
    int area() { return radius1 * radius2 * 3.1415926; }
    void display() { ... }
};

class Ellipse : public RoundShape {
protected:
    RoundShape round;
public:
    int getRadius1() { return round.radius1; }
    int getRadius2() { return round.radius2; }
    void setRadius1(int r) { round.radius1 = r; }
    void setRadius2(int r) { round.radius2 = r; }
    Ellipse(int r1=0, int r2=0) : round(r1, r2) {}
    int area() { return round.area(); }
    void display() { round.display(); }
};

class Circle : public Shape {
protected:
    RoundShape round;
public:
    int getRadius() { return round.radius1; }
    void setRadius(int r) { round.radius1 = round.radius2 = r; }
    Circle(int r=0) : round(r, r) {}
    int area() { return round.area(); }
    void display() { round.display(); }
};

　　除了圓的形狀的兩個半徑由protected變成public，以及由原先的繼承圓的形狀，改為宣告一個型別為圓的形狀的成員之外，這支程式和前一支程式幾乎沒有差別，且它還是有彆扭的getRadius()與setRadius()。

　　圓形(與橢圓形)中宣告了一個圓的形狀的成員，之後便使用圓的形狀的area()方法來計算圓形(與橢圓形)的面積，圓形(與橢圓形)本身並不需要知道如何去計算面積，反而是從它的成員去獲得計算面積的能力。

　　這在物件導向程式設計中稱為"組合"，圓的形狀是圓形(或橢圓形)的一部分(a part of)。雖然不管是繼承還是組合，都可以直接將別人的能力納為己用，但是正統的物件導向程式設計，非常注重如何去區別"繼承"與"組合"，兩者是分的很清楚的。

答案六：直接引用公式來reuse程式碼

選擇原因：依據學無止境的道理，多多觀摩不同的方法，增廣見聞

　　形狀問題的例子比較特殊，可以直接引用公式來計算面積，並透過引用共同的公式來reuse程式碼。

參考程式碼：

class ComputeArea {
public:
static int ellipse(int r1, int r2) { return r1 * r2 * 3.1415926; }
static int retangle(int w, int h) { return w * h; }
};

class DrawShape {
public:
static int ellipse(int r1, int r2) { ... }
static int retangle(int w, int h) { ... }
};

class Shape {
public:
virtual int area() {}
virtual void display() {}
};

class Ellipse : public Shape {
public:
    int radius1, radius2;
    Ellipse(int r1=0, int r2=0) : radius1(r1), radius2(r2) {}
    int area() { return ComputeArea::ellipse(radius1, radius2); }
    void display() { DrawShape::ellipse(radius1, radius2); }
};

class Circle : public Shape {
public:
    int radius;
    Circle(int r=0) : radius(r) {}
    int area() { return ComputeArea::ellipse(radius, radius); }
    void display() { DrawShape::ellipse(radius, radius); }
};

　　這支程式將計算各種形狀面積的公式，包裝成一個名為ComputeArea類別，包含：計算橢圓形面積的公式、計算矩形面積的公式，圓形與橢圓形再透過叫用此類別中適當的面積公式，來完成計算面積的工作。這種作法比較接近傳統程式設計的思維邏輯，而不是物件導向程式設計的思維邏輯。無論如何，這支程式還是完成了它份內該做的工作。

四、不要只為了reuse而使用繼承

　　答案四的說明中提到，在實際的情形下，有可能一開始並不是那麼深入的了解真實世界的形狀問題，反而只是為了改良答案三的重複程式碼問題，才把重複的程式碼單獨寫成一個類別，誤打誤撞寫出了答案四的經典程式碼。

　　這種「只為了reuse而使用繼承」的情況是不好的，程式的架構有可能因為這個「勉強的繼承」而變得不倫不類，或許目前並沒有問題，但在後續的維護工作上，可能會增加許多的困難度。

　　以形狀問題為例，我們幾乎可以確定真實世界應該就如同答案四的經典程式碼那般，但我們仍然可以選擇答案五，以包含來取代繼承。繼承雖然好用，但是卻像族譜一般，為家族中的所有成員之間，建立了一套嚴密的、毫無彈性的脈絡體系。這關係一旦建立，就無法登報作廢，而且在家族中發生的任何事情，都會隨著脈絡體系延伸開來，間接影響了體系中的其他成員。

　　反之，若我們以包含來取代繼承，關係的建立是單向片面性的，不會反饋回被包含的物件中，自然就不會隨著脈絡體系延伸開來。我們較能夠掌握每一件事情的影響範圍，不會因為複雜的繼承網絡，而難以估計任何事件的副作用影響範圍。

畫圓形的方法並沒有做最佳化：

　　讓我們來看一個實例：假設有一天，我們發現在畫橢圓形時，可以利用橢圓形上下對稱且左右亦對稱的原理，先畫1/4的橢圓弧，再運用鏡射的公式畫出其他3/4的橢圓弧。接著更進一步發現，若這個橢圓形是正圓形，由於正圓形不管怎樣旋轉都滿足對稱的特性，可以再次應用對稱的原理，加速畫1/4圓弧的演算法，(先畫1/8圓弧，再以x,y座標對調的方法完成另外1/8圓弧)，但這種方法僅限於圓形，無法適用於橢圓形上。所以這次圓形與橢圓形無法再共用程式碼了！

　　啊！完蛋了，先前一直以為圓形就是橢圓形的一種，因而設計成圓形與橢圓形共用display()方法，這也沒錯，因為真實世界原本也正是如此。但若我們為了執行效率的實務考量，而想單獨針對圓形的display()做最佳化，選擇的條件改變，答案自然就不一樣了，舊愛答案四被新歡答案五取代，原本經典的程式碼再也不經典了！

　　若要為答案四做最佳化，就要考慮是要修改圓形，還是要新增一個「正圓的形狀」，若是要新增類別，新增加的類別要放在繼承結構的哪個位置上？會不會為了display()方法此而破壞了area()方法的繼承關係？

　　答案五則單純許多，這不關「圓的形狀」的事，它只是被包含進來「利用」而已，因此不會動到任何「圓的形狀」的成員或方法，只能針對圓形做修改。這時也有可能在考慮了這方因素之後，決定特別為圓形新增一個「正圓的形狀」類別，但由於新類別只是要給圓形「利用」而已，不會用在其他的用途上，不必在意它和其他形狀之間的繼承關係，是否符合真實世界的狀況。

結論：

　　一個擁有良好設計的程式碼，須具備以下的特性：