Liskov替换原则LSP

定义：如果对于类型S的每一个对象o1，都有一个类型T的对象o2，使对于任意用类型T定义的程序P，将o2替换为o1，P的行为保持不变，则称S为T的一个子类型。

子类型必须能够替换它的基类型。LSP又称里氏替换原则。

对于这个原则，通俗一些的理解就是，父类的方法都要在子类中实现或者重写。

 

对于依赖倒置原则，说的是父类不能依赖子类，它们都要依赖抽象类。这种依赖是我们实现代码扩展和运行期内绑定（多态）的基础。因为一旦类的使用者依赖某个具体的类，那么对该依赖的扩展就无从谈起；而依赖某个抽象类，则只要实现了该抽象类的子类，都可以被类的使用者使用，从而实现了系统的扩展。
但是，光有依赖倒置原则，并不一定就使我们的代码真正具有良好的扩展性和运行期内绑定。请看下面的代码：

public class Animal
{
private string name;
public Animal(string name)
{
this.name = name;
}
public void Description()
{
Console.WriteLine("This is a(an) " + name);
}
}

 

//下面是它的子类猫类：
public class Cat : Animal
{
public Cat(string name)
{

}
public void Mew()
{
Console.WriteLine("The cat is saying like 'mew'");
}
}

 

//下面是它的子类狗类：
public class Dog : Animal
{
public Dog(string name)
{

 

}
public void Bark()
{
Console.WriteLine("The dog is saying like 'bark'");
}
}

 

//最后，我们来看客户端的调用：
public void DecriptionTheAnimal(Animal animal)
{
if (typeof(animal) is Cat)
{
Cat cat = (Cat)animal;
Cat.Decription();
Cat.Mew();
}
else if (typeof(animal) is Dog)
{
Dog dog = (Dog)animal;
Dog.Decription();
Dog.Bark();
}
}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

通过上面的代码，我们可以看到虽然客户端的依赖是对抽象的依赖，但依然这个设计的扩展性不好，运行期绑定没有实现。

是什么原因呢？其实就是因为不满足里氏替换原则，子类如Cat有Mew()方法父类根本没有，Dog类有Bark()方法父类也没有，两个子类都不能替换父类。这样导致了系统的扩展性不好和没有实现运行期内绑定。

现在看来，一个系统或子系统要拥有良好的扩展性和实现运行期内绑定，有两个必要条件：第一是依赖倒置原则；第二是里氏替换原则。这两个原则缺一不可。

 

我们知道，在我们的大多数的模式中，我们都有一个共同的接口，然后子类和扩展类都去实现该接口。

下面是一段原始代码：

if(action.Equals(“add”))
{
//do add action
}
else if(action.Equals(“view”))
{
//do view action
}
else if(action.Equals(“delete”))
{
//do delete action
}
else if(action.Equals(“modify”))
{
//do modify action
}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

我们首先想到的是把这些动作分离出来，就可能写出如下的代码：

public class AddAction
{
public void add()
{
//do add action
}
}
public class ViewAction
{
public void view()
{
//do view action
}
}
public class deleteAction
{
public void delete()
{
//do delete action
}
}
public class ModifyAction
{
public void modify()
{
//do modify action
}
}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

我们可以看到，这样代码将各个行为独立出来，满足了单一职责原则，但这远远不够，因为它不满足依赖颠倒原则和里氏替换原则。
下面我们来看看命令模式对该问题的解决方法：

public interface Action
{
public void doAction();
}
//然后是各个实现：
public class AddAction : Action
{
public void doAction()
{
//do add action
}
}
public class ViewAction : Action
{
public void doAction()
{
//do view action
}
}
public class deleteAction : Action
{
public void doAction()
{
//do delete action
}
}
public class ModifyAction : Action
{
public void doAction()
{
//do modify action
}
}
//这样，客户端的调用大概如下：
public void execute(Action action)
{
action.doAction();
}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

看，上面的客户端代码再也没有出现过typeof这样的语句，扩展性良好，也有了运行期内绑定的优点。

里氏替换原则，OCP作为OO的高层原则，主张使用“抽象(Abstraction)”和“多态(Polymorphism)”将设计中的静态结构改为动态结构，维持设计的封闭性。“抽象”是语言提供的功能。“多态”由继承语义实现。

 

　　如此，问题产生了：“我们如何去度量继承关系的质量？”

 

　　Liskov于1987年提出了一个关于继承的原则“Inheritance should ensure that any property proved about supertype objects also holds for subtype objects.”——“继承必须确保超类所拥有的性质在子类中仍然成立。”也就是说，当一个子类的实例应该能够替换任何其超类的实例时，它们之间才具有is-A关系。

 

　　该原则称为Liskov Substitution Principle——里氏替换原则。林先生在上课时风趣地称之为“老鼠的儿子会打洞”。^_^

 

　　我们来研究一下LSP的实质。学习OO的时候，我们知道，一个对象是一组状态和一系列行为的组合体。状态是对象的内在特性，行为是对象的外在特性。LSP所表述的就是在同一个继承体系中的对象应该有共同的行为特征。

 

　　这一点上，表明了OO的继承与日常生活中的继承的本质区别。举一个例子：生物学的分类体系中把企鹅归属为鸟类。我们模仿这个体系，设计出这样的类和关系。

 

　　类“鸟”中有个方法fly，企鹅自然也继承了这个方法，可是企鹅不能飞阿，于是，我们在企鹅的类中覆盖了fly方法，告诉方法的调用者：企鹅是不会飞的。这完全符合常理。但是，这违反了LSP，企鹅是鸟的子类，可是企鹅却不能飞！需要注意的是，此处的“鸟”已经不再是生物学中的鸟了，它是软件中的一个类、一个抽象。

 

　　有人会说，企鹅不能飞很正常啊，而且这样编写代码也能正常编译，只要在使用这个类的客户代码中加一句判断就行了。但是，这就是问题所在！首先，客户代码和“企鹅”的代码很有可能不是同时设计的，在当今软件外包一层又一层的开发模式下，你甚至根本不知道两个模块的原产地是哪里，也就谈不上去修改客户代码了。客户程序很可能是遗留系统的一部分，很可能已经不再维护，如果因为设计出这么一个“企鹅”而导致必须修改客户代码，谁应该承担这部分责任呢？（大概是上帝吧，谁叫他让“企鹅”不能飞的。^_^）“修改客户代码”直接违反了OCP，这就是OCP的重要性。违反LSP将使既有的设计不能封闭！

 

　　修正后的设计如下：

 

　　但是，这就是LSP的全部了么？书中给了一个经典的例子，这又是一个不符合常理的例子：正方形不是一个长方形。这个悖论的详细内容能在网上找到，我就不多废话了。

 

　　LSP并没有提供解决这个问题的方案，而只是提出了这么一个问题。

 

　　于是，工程师们开始关注如何确保对象的行为。1988年，B. Meyer提出了Design by Contract（契约式设计）理论。DbC从形式化方法中借鉴了一套确保对象行为和自身状态的方法，其基本概念很简单：

 

　　Pre-condition:

 

　　每个方法调用之前，该方法应该校验传入参数的正确性，只有正确才能执行该方法，否则认为调用方违反契约，不予执行。这称为前置条件(Pre-condition)。

 

　　Post-Condition:

 

　　一旦通过前置条件的校验，方法必须执行，并且必须确保执行结果符合契约，这称之为后置条件(Post-condition)。

 

　　Invariant:

 

　　对象本身有一套对自身状态进行校验的检查条件，以确保该对象的本质不发生改变，这称之为不变式(Invariant)。

 

　　以上是单个对象的约束条件。为了满足LSP，当存在继承关系时，子类中方法的前置条件必须与超类中被覆盖的方法的前置条件相同或者更宽松；而子类中方法的后置条件必须与超类中被覆盖的方法的后置条件相同或者更为严格

 

　　一些OO语言中的特性能够说明这一问题：

 

　　继承并且覆盖超类方法的时候，子类中的方法的可见性必须等于或者大于超类中的方法的可见性，子类中的方法所抛出的受检异常只能是超类中对应方法所抛出的受检异常的父类。 public class SuperClass{

 

　　public void methodA() throws IOException{}

 

　　}

 

　　public class SubClassA extends SuperClass{

 

　　//this overriding is illegal.

 

　　private void methodA() throws Exception{}

 

　　}

 

　　public class SubClassB extends SuperClass{

 

　　//this overriding is OK.

 

　　public void methodA() throws FileNotFoundException{}

 

　　}

 

　　从Java5开始，子类中的方法的返回值也可以是对应的超类方法的返回值的子类。这叫做“协变”(Covariant)

 

　　public class SuperClass {

 

　　public Number caculate(){

 

　　return null;

 

　　}

 

　　}

 

　　public class SubClass extends SuperClass{

 

　　//only compiles in Java 5 or later.

 

　　public Integer caculate(){

 

　　return null;

 

　　}

 

　　}

 

　　可以看出，以上这些特性都非常好地遵循了LSP。但是DbC呢？很遗憾，主流的面向对象语言（不论是动态语言还是静态语言）还没有加入对DbC的支持。但是随着AOP概念的产生，相信不久DbC也将成为OO语言的一个重要特性之一。

 

　　一些题外话：

 

　　前一阵子《敲响OO时代的丧钟》和《丧钟为谁而鸣》两篇文章引来了无数议论。其中提到了不少OO语言的不足。事实上，遵从LSP和OCP，不管是静态类型还是动态类型系统，只要是OO的设计，就应该对对象的行为有严格的约束。这个约束并不仅仅体现在方法签名上，而是这个具体行为的本身。这才是LSP和DbC的真谛。从这一点来说并不能说明“万事万物皆对象”的动态语言和“C++，Java”这种“按接口编程”语言的优劣，两类语言都有待于改进。

转自：http://www.cnblogs.com/feipeng/archive/2007/03/02/661800.html