里氏替換原則

在上一節(jié)《開閉原則——面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則》中，我們?cè)敿?xì)介紹了開閉原則，本節(jié)我們來介紹里式替換原則。

里氏替換原則的定義

里氏替換原則(Liskov Substitution Principle，LSP)由麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的里斯科夫(Liskov)女士在 1987 年的“面向?qū)ο蠹夹g(shù)的高峰會(huì)議”(OOPSLA)上發(fā)表的一篇文章《數(shù)據(jù)抽象和層次》(Data Abstraction and Hierarchy)里提出來的，她提出：繼承必須確保超類所擁有的性質(zhì)在子類中仍然成立(Inheritance should ensure that any property proved about supertype objects also holds for subtype objects)。

里氏替換原則主要闡述了有關(guān)繼承的一些原則，也就是什么時(shí)候應(yīng)該使用繼承，什么時(shí)候不應(yīng)該使用繼承，以及其中蘊(yùn)含的原理。里氏替換原是繼承復(fù)用的基礎(chǔ)，它反映了基類與子類之間的關(guān)系，是對(duì)開閉原則的補(bǔ)充，是對(duì)實(shí)現(xiàn)抽象化的具體步驟的規(guī)范。

里氏替換原則的作用

里氏替換原則的主要作用如下。

1、里氏替換原則是實(shí)現(xiàn)開閉原則的重要方式之一。

2、它克服了繼承中重寫父類造成的可復(fù)用性變差的缺點(diǎn)。

3、它是動(dòng)作正確性的保證。即類的擴(kuò)展不會(huì)給已有的系統(tǒng)引入新的錯(cuò)誤，降低了代碼出錯(cuò)的可能性。

里氏替換原則的實(shí)現(xiàn)方法

里氏替換原則通俗來講就是：子類可以擴(kuò)展父類的功能，但不能改變父類原有的功能。也就是說：子類繼承父類時(shí)，除添加新的方法完成新增功能外，盡量不要重寫父類的方法。

如果通過重寫父類的方法來完成新的功能，這樣寫起來雖然簡單，但是整個(gè)繼承體系的可復(fù)用性會(huì)比較差，特別是運(yùn)用多態(tài)比較頻繁時(shí)，程序運(yùn)行出錯(cuò)的概率會(huì)非常大。

如果程序違背了里氏替換原則，則繼承類的對(duì)象在基類出現(xiàn)的地方會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤。這時(shí)其修正方法是：取消原來的繼承關(guān)系，重新設(shè)計(jì)它們之間的關(guān)系。

關(guān)于里氏替換原則的例子，最有名的是“正方形不是長方形”。當(dāng)然，生活中也有很多類似的例子，例如，企鵝、鴕鳥和幾維鳥從生物學(xué)的角度來劃分，它們屬于鳥類;但從類的繼承關(guān)系來看，由于它們不能繼承“鳥”會(huì)飛的功能，所以它們不能定義成“鳥”的子類。同樣，由于“氣球魚”不會(huì)游泳，所以不能定義成“魚”的子類;“玩具炮”炸不了敵人，所以不能定義成“炮”的子類等。

下面以“幾維鳥不是鳥”為例來說明里氏替換原則。

【例2】里氏替換原則在“幾維鳥不是鳥”實(shí)例中的應(yīng)用。

分析：鳥一般都會(huì)飛行，如燕子的飛行速度大概是每小時(shí) 120 千米。但是新西蘭的幾維鳥由于翅膀退化無法飛行。假如要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)例，計(jì)算這兩種鳥飛行 300 千米要花費(fèi)的時(shí)間。顯然，拿燕子來測(cè)試這段代碼，結(jié)果正確，能計(jì)算出所需要的時(shí)間;但拿幾維鳥來測(cè)試，結(jié)果會(huì)發(fā)生“除零異常”或是“無窮大”，明顯不符合預(yù)期，其類圖如圖 1 所示。

圖1 “幾維鳥不是鳥”實(shí)例的類圖

程序代碼如下：

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("如果飛行300公里：");
        try
        {
            System.out.println("燕子將飛行"+bird1.getFlyTime(300)+"小時(shí).");
            System.out.println("幾維鳥將飛行"+bird2.getFlyTime(300)+"小時(shí)。");
        }
        catch(Exception err)
        {
            System.out.println("發(fā)生錯(cuò)誤了!");
        }
    }
}
//鳥類
class Bird
{
    double flySpeed;
    public void setSpeed(double speed)
    {
        flySpeed=speed;
    }
    public double getFlyTime(double distance)
    {
        return(distance/flySpeed);
    }
}
//燕子類
class Swallow extends Bird{}
//幾維鳥類
class BrownKiwi extends Bird
{
    public void setSpeed(double speed)
    {
           flySpeed=0;
    }
}

程序的運(yùn)行結(jié)果如下：

如果飛行300公里：
燕子將飛行2.5小時(shí).
幾維鳥將飛行Infinity小時(shí)。

程序運(yùn)行錯(cuò)誤的原因是：幾維鳥類重寫了鳥類的 setSpeed(double speed) 方法，這違背了里氏替換原則。正確的做法是：取消幾維鳥原來的繼承關(guān)系，定義鳥和幾維鳥的更一般的父類，如動(dòng)物類，它們都有奔跑的能力。幾維鳥的飛行速度雖然為 0，但奔跑速度不為 0，可以計(jì)算出其奔跑 300 千米所要花費(fèi)的時(shí)間。其類圖如圖 2 所示。

圖2 “幾維鳥是動(dòng)物”實(shí)例的類圖