基于面向对象基础设计——里氏替换原则

在Java中，支持抽象和多态的关键机制之一是继承。正是使用了继承，我们才可以创建实现父类中抽象方法的子类。那么，是什么规则在支配着这种特殊的继承用法呢？最佳的继承层次的特征又是什么呢？在什么情况下会使我们创建的类层次结构掉进不符合开闭原则的陷阱中呢？这就是里氏替换原则要解决的问题。

概念

里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。

里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。

简单的理解为一个软件实体如果使用的是一个父类，那么一定适用于其子类，而且它察觉不出父类对象和子类对象的区别。也就是说，软件里面，把父类都替换成它的子类，程序的行为没有变化。

子类型必须能够替换掉它们的父类型。

• 类的继承原则：里氏替换原则常用来检查两个类是否为继承关系。在符合里氏替换原则的继承关系中，使用父类代码的地方，用子类代码替换后，能够正确的执行动作处理。换句话说，如果子类替换了父类后，不能够正确执行动作，那么他们的继承关系就是不正确的，应该重新设计它们之间的关系。
• 动作正确性保证：里氏替换原则对子类进行了约束，所以在为已存在的类进行扩展，来创建一个新的子类时，符合里氏替换原则的扩展不会给已有的系统引入新的错误。

继承的优缺点

优点：

• 代码共享，减少创建类的工作量，每个子类都拥有父类的方法和属性
• 提高代码的重用性
• 子类可以形似父类，但是又异于父类。
• 提高代码的可扩展性，实现父类的方法就可以了。许多开源框架的扩展接口都是通过继承父类来完成。
• 提高产品或项目的开放性

缺点：

• 继承是侵入性的，只要继承，就必须拥有父类的所有方法和属性
• 降低了代码的灵活性，子类必须拥有父类的属性和方法，让子类有了一些约束
• 增加了耦合性，当父类的常量，变量和方法被修改了，需要考虑子类的修改，这种修改可能带来非常糟糕的结果，要重构大量的代码

四层含义

里氏替换原则包含以下4层含义：

• 子类可以实现父类的抽象方法，但是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。
• 当子类覆盖或实现父类的方法时，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。

【案例】正方形不是长方形。

在数学领域里，正方形毫无疑问是长方形，它是一个长宽相等的长方形。所以，我们开发的一个与几何图形相关的软件系统，就可以顺理成章的让正方形继承自长方形。

代码如下：

长方形类(Rectangle)：

public class Rectangle {
    private double length;
    private double width;

    public double getLength() {
        return length;
    }

    public void setLength(double length) {
        this.length = length;
    }

    public double getWidth() {
        return width;
    }

    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }
}

正方形(Square)：

由于正方形的长和宽相同，所以在方法setLength和setWidth中，对长度和宽度都需要赋相同值。

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

    public void setLength(double length) {
        super.setLength(length);
        super.setWidth(length);
    }
}

类RectangleDemo是我们的软件系统中的一个组件，它有一个resize方法依赖基类Rectangle，resize方法是RectandleDemo类中的一个方法，用来实现宽度逐渐增长的效果。

public class RectangleDemo {
    
    public static void resize(Rectangle rectangle) {
        while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        }
    }

    //打印长方形的长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) {
        System.out.println(rectangle.getLength());
        System.out.println(rectangle.getWidth());
    }

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

        System.out.println("============");

        Rectangle rectangle1 = new Square();
        rectangle1.setLength(10);
        resize(rectangle1);
        printLengthAndWidth(rectangle1);
    }
}

我们运行一下这段代码就会发现，假如我们把一个普通长方形作为参数传入resize方法，就会看到长方形宽度逐渐增长的效果，当宽度大于长度,代码就会停止，这种行为的结果符合我们的预期;假如我们再把一个正方形作为参数传入resize方法后，就会看到正方形的宽度和长度都在不断增长，代码会一直运行下去，直至系统产生溢出错误。

所以，普通的长方形是适合这段代码的，正方形不适合。

我们得出结论：在resize方法中，Rectangle类型的参数是不能被Square类型的参数所代替，如果进行了替换就得不到预期结果。因此，Square类和Rectangle类之间的继承关系违反了里氏代换原则，它们之间的继承关系不成立，正方形不是长方形。

如何改进呢?此时我们需要重新设计他们之间的关系。抽象出来一个四边形接口(Quadrilateral)，让Rectangle类和Square类实现Quadrilateral接口。