Liskov Substitution Principle (LSP) - OO设计的里氏替换原则

 

Functions that use pointers or references to base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it.

Robert C. Martin氏为我们总结了在面向对象的设计（OOD）中应该遵循的原则，这些原则被称为“Principles of OOD”，关于“Principles of OOD”的相关文章可以从Object Menter得到。

本文介绍“Principles of OOD”中的里氏替换原则：Liskov Substitution Principle (LSP)。

可以从这里查看Liskov Substitution Principle (LSP)的原文 。

里氏替换原则LSP的概念解说

Functions that use pointers or references to base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it.
所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。也就是说，只有满足以下2个条件的OO设计才可被认为是满足了LSP原则：
- 不应该在代码中出现if/else之类对子类类型进行判断的条件。以下代码就违反了LSP定义。
if (obj typeof Class1) {
    do something
} else if (obj typeof Class2) {
    do something else
}
- 子类应当可以替换父类并出现在父类能够出现的任何地方，或者说如果我们把代码中使用基类的地方用它的子类所代替，代码还能正常工作。

里氏替换原则LSP是使代码符合开闭原则的一个重要保证。同时LSP体现了：
- 类的继承原则：如果一个继承类的对象可能会在基类出现的地方出现运行错误，则该子类不应该从该基类继承，或者说，应该重新设计它们之间的关系。
- 动作正确性保证：从另一个侧面上保证了符合LSP设计原则的类的扩展不会给已有的系统引入新的错误。

类的继承原则：
Robert C. Martin氏在介绍Liskov Substitution Principle (LSP)的原文里，举了Rectangle和Square的例子。这里沿用这个例子，但用Java语言对其加以重写，并忽略了某些细节只列出下面的精要部分来说明 里氏替换原则 对类的继承上的约束。
代码：

class Rectangle {
    double width;
    double height;
    
    
    public double getHeight() {
        return height;
    }
    public void setHeight(double height) {
        this.height = height;
    }
    public double getWidth() {
        return width;
    }
    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }   
}

class Square extends Rectangle {
    public void setHeight(double height) {
        super.setHeight(height);
        super.setWidth(height);
    }
    
    public void setWidth(double width) {
        super.setHeight(width);
        super.setWidth(width);
    }
}

这里Rectangle是基类，Square从Rectangle继承。
这种继承关系有什么问题吗？

假如已有的系统中存在以下既有的业务逻辑代码：
void g(Rectangle r) {
    r.setWidth(5);
    r.setHeight(4);
    if (r.getWidth() * r.getHeight() != 20) {
        throw new RuntimeException();
    }
}

则对应于扩展类Square，在调用既有业务逻辑时：
        Rectangle square = new Square();
        g(square);
时会抛出一个RuntimeException异常。这显然违反了LSP原则。


动作正确性保证：
因为LSP对子类的约束，所以为已存在的类做扩展构造一个新的子类时，根据LSP的定义，不会给已有的系统引入新的错误。

Design by Contract

根据Bertrand Meyer氏提出的Design by Contract（DBC：基于合同的设计）概念的描述，对于类的一个方法，都有一个前提条件以及一个后续条件，前提条件说明方法接受什么样的参数数据等，只有前提条件得到满足时，这个方法才能被调用；同时后续条件用来说明这个方法完成时的状态，如果一个方法的执行会导致这个方法的后续条件不成立，那么这个方法也不应该正常返回。
现在把前提条件以及后续条件应用到继承子类中，子类方法应该满足：
１）前提条件不强于基类．
２）后续条件不弱于基类．
换句话说，通过基类的接口调用一个对象时，用户只知道基类前提条件以及后续条件。因此继承类不得要求用户提供比基类方法要求的更强的前提条件，亦即，继承类方法必须接受任何基类方法能接受的任何条件（参数）。同样，继承类必须顺从基类的所有后续条件，亦即，继承类方法的行为和输出不得违反由基类建立起来的任何约束，不能让用户对继承类方法的输出感到困惑。
这样，我们就有了基于合同的LSP，基于合同的LSP是LSP的一种强化。

在很多情况下，在设计初期我们类之间的关系不是很明确，LSP则给了我们一个判断和设计类之间关系的基准：需不需要继承，以及怎样设计继承关系。