设计模式系列5——六大设计原则之里氏替换原则

1 里式替换原则的定义

肯定有不少人跟我刚看到这项原则的时候一样,对这个原则的名字充满疑惑。其实里氏替换原则(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。

定义1:如果对每一个类型为 T1的对象 o1,都有类型为 T2 的对象o2,使得以 T1定义的所有程序 P 在所有的对象 o1 都代换成 o2 时,程序 P 的行为没有发生变化,那么类型 T2 是类型 T1 的子类型。

定义2:所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。

2 有哪些优点

里氏替换原则定义上的表达就是,在父类出现的地方可以实现的功能,那么把子类放到这里也一定可以实现。举个例子有一段鱼的代码,这类鱼是用腮来呼吸的,但是当你实现的时候想写一个海豚的对象,继承鱼的代码。这就违法了里氏替换原则,因为海豚是用肺呼吸的。

虽然继承提高了代码的重用性,但是在继承的时候改变了父类原有的方法的内容,其它程序员可能不知道子类的方法被改变了,在其他的地方调用了子类来实现,就会导致返回的值是不正确的,进而可能导致程序的崩溃,而里氏替换原则正是为了解决这样的问题

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。
    image.png

3 使用案例

当使用继承时,遵循里氏替换原则。类B继承类A时,除添加新的方法完成新增功能P2外,尽量不要重写父类A的方法,也尽量不要重载父类A的方法。

继承包含这样一层含义:父类中凡是已经实现好的方法(相对于抽象方法而言),实际上是在设定一系列的规范和契约,虽然它不强制要求所有的子类必须遵从这些契约,但是如果子类对这些非抽象方法任意修改,就会对整个继承体系造成破坏。而里氏替换原则就是表达了这一层含义。

继承作为面向对象三大特性之一,在给程序设计带来巨大便利的同时,也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性,程序的可移植性降低,增加了对象间的耦合性,如果一个类被其他的类所继承,则当这个类需要修改时,必须考虑到所有的子类,并且父类修改后,所有涉及到子类的功能都有可能会产生故障。

3.1 例子1

举例说明继承的风险,我们需要完成一个两数相减的功能,由类A来负责。

class A{  
       public int func1(int a, int b){  
           return a-b;  
       }  
   }  
     
public class Client{  
   public static void main(String[] args){  
       A a = new A();  
        System.out.println("100-50="+a.func1(100, 50));  
         System.out.println("100-80="+a.func1(100, 80));  
    }  
}

运行结果:

100-50=50
100-80=20

后来,我们需要增加一个新的功能:完成两数相加,然后再与100求和,由类B来负责。即类B需要完成两个功能:

  • 两数相减。
  • 两数相加,然后再加100。

由于类A已经实现了第一个功能,所以类B继承类A后,只需要再完成第二个功能就可以了,代码如下:

class B extends A{  
       public int func1(int a, int b){  
           return a+b;  
       }  
         
       public int func2(int a, int b){  
           return func1(a,b)+100;  
       }  
   }  
     
public class Client{  
   public static void main(String[] args){  
        B b = new B();  
        System.out.println("100-50="+b.func1(100, 50));  
        System.out.println("100-80="+b.func1(100, 80));  
        System.out.println("100+20+100="+b.func2(100, 20));  
    }  
}

类B完成后,运行结果:

100-50=150
100-80=180
100+20+100=220

我们发现原本运行正常的相减功能发生了错误。原因就是类B在给方法起名时无意中重写了父类的方法,造成所有运行相减功能的代码全部调用了类B重写后的方法,造成原本运行正常的功能出现了错误。

在本例中,引用基类A完成的功能,换成子类B之后,发生了异常。在实际编程中,我们常常会通过重写父类的方法来完成新的功能,这样写起来虽然简单,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,程序运行出错的几率非常大。如果非要重写父类的方法,比较通用的做法是:原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类,原有的继承关系去掉,采用依赖、聚合,组合等关系代替。

里氏替换原则通俗的来讲就是:子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有的功能。它包含以下4层含义:

  • 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(即方法的形参)要比父类方法的输入参数更宽松。
  • 当子类的方法实现父类的抽象方法时,方法的后置条件(即方法的返回值)要比父类更严格。

看上去很不可思议,因为我们会发现在自己编程中常常会违反里氏替换原则,程序照样跑的好好的。所以大家都会产生这样的疑问,假如我非要不遵循里氏替换原则会有什么后果?后果就是:你写的代码出问题的几率将会大大增加。

3.2 例子2

下面再来看一个“几维鸟不是鸟”例子来说明里氏替换原则。

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,其类图如图所示:
image.png

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。其类图如图所示:
image.png

更新时间:2020-08-21 09:09:33

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最后更新:2020-08-21 09:09:33

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