继承的起源：一种为了性能而生的 Hack

Inheritance（继承）是由 Simula 语言发明的，目的是为了支持 intrusive lists（侵入式链表）、节省内存并简化 garbage collector（垃圾回收器）。

众所周知，inheritance 是由 Simula 发明的。关于 Simula 的 History of Programming Languages 会议记录告诉了我们这项发明的背后动机。让我们一起来看看。

简化垃圾回收器

Simula 创造了 inheritance 而不是使用 composition（组合），因为它可以让他们的 garbage collector 更加简单。

Simula 有一个简单的引用计数和垃圾回收实现：

由于无法找到提供足够编程灵活性的[手动内存分配]方案，我们实现了一个引用计数方案，这个想法借鉴自 Weizenbaum (1962)，并且还添加了一个“最后的手段” garbage collector。 – Section 2.3.3, The Development Of The Simula Languages

使用引用计数和垃圾回收很好，但他们的 GC 有点过于简单：

一个进程可能比它的动态父进程活得更久，即包含产生该进程的生成表达式的块实例。因此，该进程可能通过其形式参数访问不存在的数据。选择的补救措施是禁止所有类型的按名称调用参数传递给进程（包括过程、标签和开关）。 – Section 2.3.3, The Development Of The Simula Languages

问题在于，可以将指向栈分配变量的指针存储在对象（在 Simula 术语中为“进程”）内部，然后从该变量的作用域返回该对象，这样存储该变量的栈帧会被释放。 这将使以后使用该对象变得不安全：“进程可能访问不存在的数据”。

使用更复杂的 garbage collector，例如当时在 Lisp 中使用的那些，这不是问题。

Simula 中简单的 GC 实现通过禁止将许多东西作为参数传递（包括将函数作为参数传递）来解决这个问题和其他问题。从某种意义上说，他们删除了 ALGOL 60 中存在的一流函数的支持，而 Simula 是 ALGOL 60 的扩展。 可以预见的是，这降低了语言的表达能力：

在编写模拟程序时，我们观察到进程通常共享许多共同属性，包括数据属性和操作，但在其他方面在结构上有所不同，因此必须通过单独的声明来描述。 [...] 参数化无法提供足够的灵活性，特别是考虑到按名称调用的参数（包括过程参数）已被禁止用于进程（原因很好，请参见第 2.3.3 节）。 – Section 3.1, The Development Of The Simula Languages

由于他们的 GC 的限制，他们无法使用“参数化”（我们称之为 composition）来自定义类。 相反，他们不得不发明 inheritance。

支持侵入式链表

Simula 对 inheritance 的直接灵感是简化 intrusive lists 的使用，这是一种至今仍在使用的巧妙 hack，它可以使链表更有效率，但灵活性较差。

在 Simula 的第一个版本中，在他们发明 inheritance 和其他 OOP 功能之前，他们支持一种名为“集合”的数据结构，它是对象的任意链表（在 Simula 术语中为“进程”）：

事后看来，引入“多重成员”集合是一个错误。首先，“集合”实际上是允许多次进程发生的进程序列，而简单的进程链对于大多数目的来说更为合适。[...] 由于所有进程指针都通过单独分配的“元素”对象来定向，因此进程引用中始终存在开销。 – Section 2.3.4, The Development Of The Simula Languages

与传统的链表一样，链表节点（在引文中称为“元素”）是单独分配的，从而增加了内存使用量并导致内存碎片。 相比之下，在 intrusive list 中，列表节点不是单独分配的。

在 Simula 的后期版本中，他们认为一种更简单的数据结构（不允许对象位于多个链表中，并且不需要低效的“元素”对象）会更好：

元素/集合概念作为列表处理的基本通用机制过于笨拙。 即使对于模拟建模，我们的经验也表明简单的进程指针可能更好，并结合进程固有的集合成员资格能力，限制为一次一个集合。 – Section 3.1, The Development Of The Simula Languages

他们决定用 intrusive lists 替换他们的传统链表，这比传统的链表更节省内存和时间。

但是，intrusive lists 要求链表节点是将在列表中的类定义的一部分。 即使 Simula 中提供了传统的组合技术，也无法满足此要求。 Simula 作者不知道他们将如何实现它，直到：

解决方案突然出现，1966 年 12 月提出了“前缀”的想法。我们当时想到的是桥上的收费站，那里排着卡车或公共汽车的队列。（这个例子重新出现在 Dahl 和 Nygaard，1968 年的著作中。）一个“剥离”的列表结构，由一个“集合头”和可变数量的“链接”组成，已经被写下来了，当我们看到我们的问题都可以通过一种机制来解决，该机制将每个不同的进程（卡车、公共汽车）“粘合”到“链接”上，使每个链接-进程对成为一个块实例。 [...] 通常，一个新想法会受到相当猛烈的攻击，以测试其强度。“前缀”的想法是唯一的例外。我们立即意识到，我们现在拥有了一种全新的语言方法所必需的基础。 – Section 3.1, The Development Of The Simula Languages

在 Simula 中，inheritance 被称为“前缀”；基类是一个“前缀”。

因此，inheritance 的想法起源于通过让对象继承自 intrusive list 节点“link”来实现 intrusive list 的想法。 这样，intrusive lists 这种原本复杂的性能 hack 就可以很容易地被使用。

结论

出于性能原因创建功能当然没有坏处。 当然，Simula 在许多其他方面都很出色。 他们几乎发明了现代 OOP 的每个部分，而不仅仅是 inheritance； 并且他们在对象中普遍使用并发性是一个特别酷的功能，应该更多地被复制。

但有趣的是，今天没有人谈论 inheritance 是一种性能特性。 他们谈论的是代码重用和可扩展性的好处。

就代码重用和可扩展性而言，我个人更喜欢 composition 和 modules。