里氏替换原则——面向对象设计原则

2023-05-16

在上一节《开闭原则》中，我们详细介绍了开闭原则，本节我们来介绍里式替换原则。

里氏替换原则的定义

里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）由麻省理工学院计算机科学实验室的里斯科夫（Liskov）女士在 1987 年的“面向对象技术的高峰会议”（OOPSLA）上发表的一篇文章《数据抽象和层次》（Data Abstraction and Hierarchy）里提出来的，她提出：继承必须确保超类所拥有的性质在子类中仍然成立（Inheritance should ensure that any property proved about supertype objects also holds for subtype objects）。

里氏替换原则主要阐述了有关继承的一些原则，也就是什么时候应该使用继承，什么时候不应该使用继承，以及其中蕴含的原理。里氏替换原是继承复用的基础，它反映了基类与子类之间的关系，是对开闭原则的补充，是对实现抽象化的具体步骤的规范。

里氏替换原则的作用

里氏替换原则的主要作用如下。

里氏替换原则是实现开闭原则的重要方式之一。
它克服了继承中重写父类造成的可复用性变差的缺点。
它是动作正确性的保证。即类的扩展不会给已有的系统引入新的错误，降低了代码出错的可能性。
加强程序的健壮性，同时变更时可以做到非常好的兼容性，提高程序的维护性、可扩展性，降低需求变更时引入的风险。

里氏替换原则的实现方法

里氏替换原则通俗来讲就是：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。也就是说：子类继承父类时，除添加新的方法完成新增功能外，尽量不要重写父类的方法。

根据上述理解，对里氏替换原则的定义可以总结如下：

子类可以实现父类的抽象方法，但不能覆盖父类的非抽象方法
子类中可以增加自己特有的方法
当子类的方法重载父类的方法时，方法的前置条件（即方法的输入参数）要比父类的方法更宽松
当子类的方法实现父类的方法时（重写/重载或实现抽象方法），方法的后置条件（即方法的的输出/返回值）要比父类的方法更严格或相等

通过重写父类的方法来完成新的功能写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的概率会非常大。

如果程序违背了里氏替换原则，则继承类的对象在基类出现的地方会出现运行错误。这时其修正方法是：取消原来的继承关系，重新设计它们之间的关系。

关于里氏替换原则的例子，最有名的是“正方形不是长方形”。当然，生活中也有很多类似的例子，例如，企鹅、鸵鸟和几维鸟从生物学的角度来划分，它们属于鸟类；但从类的继承关系来看，由于它们不能继承“鸟”会飞的功能，所以它们不能定义成“鸟”的子类。同样，由于“气球鱼”不会游泳，所以不能定义成“鱼”的子类；“玩具炮”炸不了敌人，所以不能定义成“炮”的子类等。

下面以“几维鸟不是鸟”为例来说明里氏替换原则。

【例1】里氏替换原则在“几维鸟不是鸟”实例中的应用。

分析：鸟一般都会飞行，如燕子的飞行速度大概是每小时 120 千米。但是新西兰的几维鸟由于翅膀退化无法飞行。假如要设计一个实例，计算这两种鸟飞行 300 千米要花费的时间。显然，拿燕子来测试这段代码，结果正确，能计算出所需要的时间；但拿几维鸟来测试，结果会发生“除零异常”或是“无穷大”，明显不符合预期，其类图如图 1 所示。

图1 “几维鸟不是鸟”实例的类图

程序代码如下：

package principle;
public class LSPtest {
    public static void main(String[] args) {
        Bird bird1 = new Swallow();
        Bird bird2 = new BrownKiwi();
        bird1.setSpeed(120);
        bird2.setSpeed(120);
        System.out.println("如果飞行300公里：");
        try {
            System.out.println("燕子将飞行" + bird1.getFlyTime(300) + "小时.");
            System.out.println("几维鸟将飞行" + bird2.getFlyTime(300) + "小时。");
        } catch (Exception err) {
            System.out.println("发生错误了!");
        }
    }
}
//鸟类
class Bird {
    double flySpeed;
    public void setSpeed(double speed) {
        flySpeed = speed;
    }
    public double getFlyTime(double distance) {
        return (distance / flySpeed);
    }
}
//燕子类
class Swallow extends Bird {
}
//几维鸟类
class BrownKiwi extends Bird {
    public void setSpeed(double speed) {
        flySpeed = 0;
    }
}

程序的运行结果如下：

如果飞行300公里：
燕子将飞行2.5小时.
几维鸟将飞行Infinity小时。

程序运行错误的原因是：几维鸟类重写了鸟类的 setSpeed(double speed) 方法，这违背了里氏替换原则。正确的做法是：取消几维鸟原来的继承关系，定义鸟和几维鸟的更一般的父类，如动物类，它们都有奔跑的能力。几维鸟的飞行速度虽然为 0，但奔跑速度不为 0，可以计算出其奔跑 300 千米所要花费的时间。其类图如图 2 所示。

图2 “几维鸟是动物”实例的类图

进阶阅读

如果您想了解里氏替换原则在实际项目中的应用，可以猛击阅读《使用里氏替换原则解决实际问题》文章。

使用里氏替换原则解决实际问题

下面介绍一个经典的业务场景，用正方形、矩形和四边形的关系来说明里氏替换原则。

我们都知道正方形是一个特殊的长方形，首先创建一个长方形父类 Rectangle，代码如下。

public class Square extends Rectangle {
    private long length;
    public long getLength() {
        return length;
    }
    public void setLength(long length) {
        this.length = length;
    }
    @Override
    public long getHeight() {
        return getLength();
    }
    @Override
    public void setHeight(long height) {
        setLength(height);
    }
    @Override
    public void setWidth(long width) {
        setLength(width);
    }
    @Override
    public long getWidth() {
        return getLength();
    }
}

在测试类中，创建 resize() 方法。根据逻辑，长方形的宽应该大于等于高，我们让高一直自增，直到高等于宽变成正方形，代码如下。

public static void resize(Rectangle rectangle) {
    while (rectangle.getWidth() >= rectangle.getHeight()) {
        rectangle.setHeight(rectangle.getHeight() + 1);
        System.out.println("width: " + rectangle.getWidth() +
                ",Height: " + rectangle.getHeight());
    }
    System.out.println("Resize End,width:" + rectangle.getWidth() +
            " ,Height:" + rectangle.getHeight());
}

客户端测试代码如下：

public static void main(String[] args) {
    Rectangle rectangle = new Rectangle();
    rectangle.setWidth(20);
    rectangle.setHeight(10);
    resize(rectangle);
}

运行结果如下：

width: 20,Height: 11
width: 20,Height: 12
width: 20,Height: 13
width: 20,Height: 14
width: 20,Height: 15
width: 20,Height: 16
width: 20,Height: 17
width: 20,Height: 18
width: 20,Height: 19
width: 20,Height: 20
width: 20,Height: 21
Resize End,width:20 ,Height:21

由运行结果可知，高比宽还大，这在长方形中是一种非常正常的情况。再看下面的代码，把长方形替换成它的子类正方形，修改客户端测试代码如下：

public static void main(String[] args) {   
    Square square = new Square();
    square.setLength(10);
    resize(square);
}

此时，运行出现了死循环，违背了里氏替换原则，在将父类替换成子类后，程序运行结果没有达到预期。因此，代码设计是存在一定风险的。

里氏替换原则只存在于父类和子类之间，约束继承泛滥。再来创建一个基于长方形与正方形共同的抽象——四边形 QuardRangle 接口，代码如下。

public interface QuardRangle {
    long getWidth();
    long getHeight();
}

修改长方形 Rectangle 类的代码如下。

public class Rectangle implements QuardRangle{
    private long height;    //高
    private long width;    //宽
    public long getHeight() {
        return height;
    }
    public void setHeight(long height) {
        this.height = height;
    }
    public void setWidth(long width) {
        this.width = width;
    }
    public long getWidth() {
        return width;
    }
}

修改正方形 Square 类的代码如下。

public class Square implements QuardRangle {
    private long length;
    public long getLength() {
        return length;
    }
    public void setLength(long length) {
        this.length = length;
    }
    @Override
    public long getHeight() {
        return getLength();
    }
    @Override
    public long getWidth() {
        return getLength();
    }
}

此时，如果把 resize() 方法的参数换成四边形 QuardRangle 类，方法内部就会报错。因为正方形已经没有了 setWidth() 和 setHeight() 方法，所以，为了约束继承泛滥，resize() 方法的参数只能用长方形 Rectangle 类。

拓展

在讲开闭原则的时候，我们埋下了一个伏笔。在 JavaDiscountCourse 类中获取折扣价格时重写了父类的 getPrice() 方法，增加了一个获取源码的 getOriginPrice() 方法，这明显违背了里氏替换原则。

下面修改代码，增加 getDiscountPrice() 方法。JavaDiscountCourse 类代码如下：

public class JavaDiscountCourse extends JavaCourse {
    public JavaDiscountCourse(Integer id, String name, Double price) {
        super(id, name, price);
    }
    public Double getDiscountPrice() {
        return super.getPrice() * 0.8;
    }
}

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