面向对象设计原则（三）：里氏替换原则（LSP）

小咪咪 2022-06-11 06:53 238阅读 0赞

**面向对象设计原则（三）：里氏替换原则（LSP）**

>       里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）是面向对象设计（OOD）中比较重要、常见的一种，下面来总结里氏替换原则的知识点，包括：
> 
> >       1、什么是里氏替换原则？
> > 
> >       2、为什么需要遵守里氏替换原则？
> > 
> >      3、怎么实现里氏替换原则，保证子类能透明的替换父类？  
> > 
> > 
> >       4、里氏替换原则（LSP）与开闭原则（OCP）的区别与联系；    
> > 
> > 
> >       5、里氏替换原则冲突时如何重构，以及违反里氏替换原则的一些情况。

## **1、什么是里氏替换原则（LSP）** ##

### **1-1、里氏替换原则的定义** ###

>       里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）可以解释为：
> 
> > **     派生类型（子类）必须能够替换掉它们的基类型（父类）。**
> 
>      Barbara LisKov首次写下这个原则是在1988年。她说道：
> 
> >      "这里需要如下的替换性质：若对类型S的每一个对象O1,都存在一个类型T的对象O2，使得在所有针对T编写的程序P中，用O1替换O2后，程序P的行为功能不变，则S是T的子类型。"

### **1-2、定义解释** ###

>       可以用简单的伪代码解释：
> 
> >      Sub extends Base;
> > 
> >      对于所有使用基类的方法：
> > 
> > >      method(Base b);
> > 
> > >      对于每一个派生类，可以这样使用:
> > > 
> > > >      method(new Sub());
> > > 
> > >      但反之则不行，定义：
> > > 
> > > >      method(Sub b);
> > > 
> > >      不可以这样使用：
> > > 
> > > >      method(new Base());
> 
>       Andy Hunt和Dave Thomas总结（2000）：
> 
> >      **派生类必须能通过基类的接口而被使用，且使用者无须了解两者之间的差异。**

## **2、为什么需要里氏替换原则** ##

>      即：为什么要让所有派生类可以替换基类呢？
> 
>       答：
> 
> > **     对于基类中定义的所有子程序，用在它的任何一个派生类中时的含义都应该是相同的。**
> > 
> > **     这样继承才不会增加复杂度，基类才能真正被复用，而派生类也能够在基类的基础上增加新的行为。**
> > 
> > **     如果我们必须要不断地思考不同派生类的实现在语义上的差异，继承就只会增加复杂度了。**
> 
>  
> 
>       最终，还是回到了这个主题：
> 
> > **     软件的首要技术使命--管理复杂度。**
> > 
> > **     程序遵循Liskov替换原则，就能降低继承带来的复杂度。**

## **3、怎么实现里氏替换原则** ##

>      即：**如何使用里氏替换原则（LSP），使得继承子类能透明的替换父类？**
> 
>   **   ****首先得理解继承：**
> 
> >      Liskov提出（1998）：
> > 
> > >    **  ****除非派生类是一个"更特殊"的类，否则不应该从基类继承。**
> > 
> >      继承是IS-A关系（"Sub是一个Base"）：
> > 
> > >      如果一个新类型的对象被认为和一个已有类的对象之间满足IS-A关系，那么这个新对象的类应该从这个已用对象的类派生。
> 
>    **  ****LSP清楚的指出：**
> 
> >      IS-A是关于行为的，对象的行为才是客户程序所依赖的，是软件真正所关注的问题。
> 
> >      而对象的行为方式是可以进行合理假设的，基于契约的设计技术可以使这些合理的假设明确化，从而支持了LSP。
> 
> **     基于契约设计（Design By Contract,DBC）：**
> 
> >      类的编写者显式地规定针对该类的契约；而客户代码的编写者可以通过该契约获悉可以依赖的行为方式。
> > 
> >      契约是通过为每个方法声明前置条件（Precondition） 和后置条件（Postcondition）来指定的。
> 
> **     前置条件和后置条件：**
> 
> >      要使一个方法得以执行，前置条件必须要为真。执行完毕后，该方法要保证后置条件为真。
> > 
> >      按照Meyer所述，派生类的前置条件和后置条件规则是：
> > 
> > >      "**在重新声明派生类中的例程时，只能使用相等或者更弱的前置条件来替换原始的前置条件，只能使用相等或者更强的后置条件来替换原始的后置条件**。"
> 
> **     示例说明：**
> 
> >      C++、Java和C\#中都没有对前置条件和后置条件的直接支持，如Java可以编写断言assert语句来实现，伪代码示例如下：
> > 
> > >      父类的前置条件：
> > > 
> > > >      //用户名不为空，且密码不能为空
> > > > 
> > > >      assert((userName != null) && (password != null));
> > > 
> > >      子类的前置条件（更弱）：
> > > 
> > > >      //用户名不为空
> > > > 
> > > >      assert((userName != null));
> > > 
> > >      父类的后置条件：
> > > 
> > > >      //返回结果Token不为空
> > > > 
> > > >      assert((result.token != null));
> > > 
> > >      子类的后置条件（更强）：
> > > 
> > > >      //返回结果Token不为空，且需要设置过期时间
> > > > 
> > > >      assert((result.token!= null) && (result.expiredTime != null));
> > 
> >      当用户（单元测试）使用父类的时候，只需要知道父类的前置条件和后置条件，就可以替换的使用其所有子类，因为：
> > 
> > >      对于前置条件，满足父类的前置条件：用户名不为空，且密码不能为空；必定满足子类的前置条件（更弱）：用户名不为空。即：**子类必须接受父类可以接受的一切。**
> > > 
> > >      对于后置条件，满足父类的后置条件：返回结果Token不为空；必定满足子类的后置条件（更强）：返回结果Token不为空，且需要设置过期时间。即：**父类的用户不应被所使用的子类的输出扰乱。**

## **4、里氏替换原则需要注意什么** ##

### **4-1、里氏替换原则（LSP）与开闭原则（OCP）的区别与联系** ###

>      在上一篇文章[《面向对象设计原则（二）：开放-封闭原则（OCP）》][-_OCP]我们知道：
> 
> >      开放-封闭原则（OCP）：
> > 
> > >      软件实体（类、模块、函数等）应该是可以扩展的，但是不可修改的。
> > > 
> > >      即：
> > > 
> > > >      软件质量的下降，来源于修改；
> > > > 
> > > >      替换整个实现类，而不是修改其中的某行；
> > > > 
> > > >      替换的扩展类可以从抽象类继承、或实现抽象接口。
> > > > 
> > > >      提倡使用实现抽象接口的方式。
> 
> **     OCP扩展类可以继承或实现接口两种方式，而里氏替换原则（LSP）主要针对继承的，它能降低继承带来的复杂度，所以可以说：LSP是OCP的重要方式之一。**
> 
>      当然，有很多文章说到LSP与OCP第二种"实现接口来扩展（替换）"相关，个人理解：**面向接口编程，替换使用的时候，是需要考虑每个实现类的细节的；而LSP强调的是透明的替换使用。**

### **4-2、里氏替换原则与重构** ###

>      当继承不能满足里氏替换原则时，应该进行重构，两种重构方法：
> 
> **1、重新提取公共部分的方法**
> 
>      把冲突的派生类与基类的共部分提取出来作为一个抽象基类，然后分别继承这个类。
> 
>      对于提取公共部分：
> 
> >      提取公共部分是一个设计工具，最好在代码不是很多的时候应用。
> > 
> >      因为如果两个派生类中具有一些公共的特性，那么很可能稍后出现的其他类也会需要这些特性。
> 
> **2、改变继承关系**
> 
>      即：从父子关系变为委派关系或兄弟关系。
> 
>      可以把它们的一些公有特性提取到一个抽象接口，再分别实现。

### **4-3、常见违反里氏替换原则的情况** ###

>      违反LSP一般都是派生类以某种方式从其基类中去除一些功能有关，完成的功能少于其基类的派生类通常是不能替换其基类的，因为违反了LSP。
> 
> **1、派生类中的退化函数**
> 
>      基类一个函数提供默认实现，派生类中重写却什么都不做，这很可能违反LSP。
> 
> **2、从派生类中抛出新异常**
> 
>      从派生类的方法中抛出了其基类不会抛出的异常。
> 
>      因为如果基类使用都不期望这些异常，这些派生类的方法就会导致不可替换性。

## **5、总结** ##

> **       里氏替换原则（LSP）：**
> 
> > **     派生类型（子类）必须能够替换掉它们的基类型（父类）。**  
> > 
> 
>       即：
> 
> > **     派生类必须能通过基类的接口而被使用，且使用者无须了解两者之间的差异。**
> > 
> > **    LSP主要针对继承，能降低继承带来的复杂度。**  
> > 
> > 
> > **    可以通过基于契约设计的前置条件和后置条件来保证透明替换。**
> > 
> > **     LSP是开闭原则（OCP）的重要方式之一。**

>       到这里，我们对里氏替换原则有了一个大体的了解，还需要平时开发中多注意，后面我们将了解其他的面向对象设计原则......

【参考资料】

1、《敏捷软件开发：原则、模式与实践》第10章 Liskov替换原则（LSP）

2、[维基百科"Liskov substitution principle"][Liskov substitution principle]

3、《代码大全》第二版 第5章 软件构件中的设计

4、《Java与模式》第7章 里氏代换原则(LSP)

[-_OCP]: http://blog.csdn.net/tjiyu/article/details/57079927
[Liskov substitution principle]: https://en.wikipedia.org/wiki/Liskov_substitution_principle