设计模式之里氏代换原则：打破常规，让代码更灵活

在软件开发的世界中，设计模式是解决常见问题的最佳实践。其中，里氏代换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）是面向对象设计的基本原则之一，它强调了在软件中子类型必须能够替换其基类型，而不会导致任何不期望的行为或错误。

一、里氏代换原则的含义

里氏代换原则是由计算机科学先驱Barbara Liskov提出的，它的基本思想是：如果程序使用了一个基类的接口来创建对象，那么这些对象可以被它们的子类对象所替换，而不会破坏程序的正确性。换句话说，一个软件实体如果使用的是一个基类的话，那么也一定适用于子类，前提是子类正常地继承了基类的共有属性。

二、如何遵循里氏代换原则

1️⃣继承与派生

在面向对象的编程中，子类继承父类的属性和方法是一种常见的做法。为了遵循里氏代换原则，子类必须能够完全代替父类，而不会引发任何问题。这意味着子类必须继承父类的所有非私有属性和方法，并且不能违反父类的任何契约。

2️⃣方法重写

在子类中重写父类的方法时，必须保证重写后的方法具有与父类方法相同的行为。这包括方法的签名、返回类型和异常等必须与父类方法一致。此外，子类方法的访问修饰符不能比父类方法的访问修饰符更严格。

3️⃣行为一致性

为了遵循里氏代换原则，子类必须保持与父类一致的行为。这意味着子类不能违反父类的任何预期行为，包括对方法的调用顺序和异常的处理等方面。

三、里氏代换原则在实践中的应用

假设我们有一个基类Shape和它的两个子类Rectangle和Square，Shape有一个计算面积的方法calculateArea。

Shape形状父类

abstract class Shape {
    abstract double calculateArea();
}

Rectangle矩形类

class Rectangle extends Shape {
    double width;
    double height;

    Rectangle(double width, double height) {
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    @Override
    double calculateArea() {
        return width * height;
    }
}

Square正方形类

class Square extends Shape {
    double side;

    Square(double side) {
        this.side = side;
    }

    // 违反LSP的情况
    @Override
    double calculateArea() {
        if (side < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Side cannot be negative");
        }
        return side * side;
    }
}

在上面的例子中，Square类的calculateArea方法违反了LSP，因为它添加了一个额外的约束——不允许边长为负数，而这个约束在Shape基类中是没有的。如果某处代码期待一个Shape对象并调用其calculateArea方法，当传入一个边长为负数的Square对象时，将会抛出异常，这就破坏了原有的行为。

如何调整

为了让Square遵守LSP，我们应该确保它不引入额外的前置条件或后置条件，而是维持与基类相同的接口契约。在这里，我们可以将边长的合法性检查放在构造函数中，而不是计算面积的方法中。

调整后Square正方形类

class Square extends Shape {
    double side;

    Square(double side) {
        if (side < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Side cannot be negative");
        }
        this.side = side;
    }

    @Override
    double calculateArea() {
        return side * side;
    }
}

现在，无论何时传入Shape的实例，无论是Rectangle还是Square，调用calculateArea方法都不会违反原有的接口约定，遵循了里氏代换原则。

四、总结

里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一，它强调了子类型必须能够替换其基类型，而不会导致任何不期望的行为或错误。遵循里氏代换原则可以提高代码的复用性、增强软件的可维护性和健壮性。在实际开发中，我们应该尽可能地遵循里氏代换原则，以确保软件的稳定性和可扩展性。