【设计模式之美】里式替换（LSP）跟多态有何区别？如何理解LSP中子类遵守父类的约定

一. 如何理解“里式替换原则”？

子类对象能够替换程序中父类对象出现的任何地方，并且保证原来程序的逻辑行为不变及正确性不被破坏。

里氏替换原则例子如下：

//>1. 父类 Transporter 使用 HttpClient 来传输网络数据。
//>2. 子类 SecurityTransporter 继承父类 Transporter，增加了额外的功能，
//支持传输 appId 和 appToken 安全认证信息。
public class Transporter {
  private HttpClient httpClient;
  
  public Transporter(HttpClient httpClient) {
    this.httpClient = httpClient;
  }

  public Response sendRequest(Request request) {
    // ...use httpClient to send request
  }
}

public class SecurityTransporter extends Transporter {
  private String appId;
  private String appToken;

  public SecurityTransporter(HttpClient httpClient, String appId, String appToken) {
    super(httpClient);
    this.appId = appId;
    this.appToken = appToken;
  }

  @Override
  public Response sendRequest(Request request) {
    if (StringUtils.isNotBlank(appId) && StringUtils.isNotBlank(appToken)) {
      request.addPayload("app-id", appId);
      request.addPayload("app-token", appToken);
    }
    // ***************
    // 这里调用了父类的方法：即没有改变父类的逻辑（约定）
    // ***************
    return super.sendRequest(request);
  }
}

public class Demo {    
  public void demoFunction(Transporter transporter) {    
    Reuqest request = new Request();
    //...省略设置request中数据值的代码...
    Response response = transporter.sendRequest(request);
    //...省略其他逻辑...
  }
}

// 里式替换原则
Demo demo = new Demo();
demo.demofunction(new SecurityTransporter(/*省略参数*/););

从刚刚的例子和定义描述来看，里式替换原则跟多态看起来确实有点类似，但实际上它们完全是两回事。

先改造下程序（改造成多态）

//改造前，如果appId 或者 appToken 没有设置，我们就不做校验；
//改造后，如果 appId 或者 appToken 没有设置，则直接抛出NoAuthorizationRuntimeException 未授权异常。
// 改造前：
public class SecurityTransporter extends Transporter {
  //...省略其他代码..
  @Override
  public Response sendRequest(Request request) {
    if (StringUtils.isNotBlank(appId) && StringUtils.isNotBlank(appToken)) {
      request.addPayload("app-id", appId);
      request.addPayload("app-token", appToken);
    }
    return super.sendRequest(request);
  }
}
// 改造后：
public class SecurityTransporter extends Transporter {
  //...省略其他代码..
  @Override
  public Response sendRequest(Request request) {
    if (StringUtils.isBlank(appId) || StringUtils.isBlank(appToken)) {
      throw new NoAuthorizationRuntimeException(...);
    }
    request.addPayload("app-id", appId);
    request.addPayload("app-token", appToken);
    return super.sendRequest(request);
  }
}

从设计思路上来讲，SecurityTransporter 的设计是不符合里式替换原则的，因为它改变了父类原有的规则，我们接下来讨论里氏替换中协议的具体含义。

 

二. 哪些代码明显违背了 LSP？

里式替换原则还有另外一个更加能落地、更有指导意义的描述，那就是“Design By Contract”，中文翻译就是“按照协议来设计”。

具体说明一下

• 子类在设计的时候，要遵守父类的行为约定（或者叫协议）。父类定义了函数的行为约定，那子类可以改变函数的内部实现逻辑，但不能改变函数原有的行为约定。
• 这里的行为约定包括：函数声明要实现的功能；对输入、输出、异常的约定；甚至包括注释中所罗列的任何特殊说明。
• 实际上，定义中父类和子类之间的关系，也可以替换成接口和实现类之间的关系。

 

如下几个违反里式替换原则的例子，来说明约定的含义：

1.子类违背父类声明要实现的功能

父类中提供的 sortOrdersByAmount() 订单排序函数，是按照金额从小到大来给订单排序的，而子类重写这个 sortOrdersByAmount() 订单排序函数之后，是按照创建日期来给订单排序的。那子类的设计就违背里式替换原则。

 

2.子类违背父类对输入、输出、异常的约定，那子类的设计就违背里式替换原则，如下：

• 在父类中运行出错的时候返回 null；获取数据为空的时候返回空集合（empty collection）。而子类重载函数之后，实现变了，运行出错返回异常（exception），获取不到数据返回 null。
• 在父类中，某个函数约定，输入数据可以是任意整数，但子类实现的时候，只允许输入数据是正整数，负数就抛出，也就是说，子类对输入的数据的校验比父类更加严格
• 在父类中，某个函数约定，只会抛出 ArgumentNullException 异常，那子类的设计实现中只允许抛出 ArgumentNullException 异常，任何其他异常的抛出。

 

3.子类违背父类注释中所罗列的任何特殊说明

父类中定义的 withdraw() 提现函数的注释是这么写的：“用户的提现金额不得超过账户余额……”，而子类重写 withdraw() 函数之后，针对 VIP 账号实现了透支提现的功能，也就是提现金额可以大于账户余额，那这个子类的设计也是不符合里式替换原则的。

 

三. 回顾

里式替换原则是用来指导，继承关系中子类该如何设计的一个原则。

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• 理解里式替换原则，最核心的就是理解“design by contract，按照协议来设计”这几个字。父类定义了函数的“约定”（或者叫协议），那子类可以改变函数的内部实现逻辑，但不能改变函数原有的“约定”。
• 这里的约定包括：函数声明要实现的功能；对输入、输出、异常的约定；甚至包括注释中所罗列的任何特殊说明。

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参考：《设计模式之美》–王争