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  • 转:OOD设计原则之里氏替换原则

    里氏替换原则(Liskov Substitutiion Principle,LSP)被称作继承复用的基石,它的提出甚至要早于OCP。不过遗憾的是,由于对这一原则的理解各不相同,经过多次的翻译、转述,LSP成了OOD设计原则中争议最多的话题之一。

    其实早在1987年的OOPSLA大会上,麻省理工学院(MIT)计算机科学实验室的Liskov女士就发表了经典文章Data Abstraction and Hierarchy,其中提出了以她名字命名的Liskov替换原则(The Liskov Substitution Principle),简称LSP。该原则说明了什么时候该使用继承,什么时候不该使用以及为什么。一年后此文发表在ACM的SIGPLAN Notices杂志上,更是影响深远。Liskov在这篇文章中写到:

    A type hierarchy is composed of subtypes and supertypes. The intuitive idea of a subtype is one whose objects provide all the behavior of objects of another type (the supertype) plus something extra.What is wanted here is something like the following substitution property: If for each object o1 of type S there is an object o2 of type T such that for all programs P defined in terms of T, the behavior of P is unchanged when o1 is substituted for o2 then S is a subtype of T.

    意思是:“类型层次由子类型和超类型(也就是父类)组成,直觉告诉我们,子类型的含义就是该类型的对象提供了另外一个类型(超类型)的对象的所有行为功能,并有所扩充。这里需要如下的替换性质:若对于每一个类型S的对象o1,都存在一个类型T的对象o2,使得在所有针对T编写的程序P中,用o1替换o2后,程序P的行为功能不变,则S是T的子类型。”这就是LSP的最初含义。

    而著名技术作家Robert Martin在1996年为《C++ Reporter》写了一篇题为《The The Liskov Substitution Principle》的文章,专门介绍LSP。在Martin的文章中,他给了LSP一个解释:

    Functions that use pointers or references to base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it.

    意思是:“使用指向基类的指针或引用的函数,必须能够在不知道具体派生类对象类型的情况下使用它们。”在2002年,Martin在他出版的《Agile   Software   Development   Principles   Patterns   and   Practices》一书中,又进一步简化为:

    Subtypes   must   be   substitutable   for   their   base   types。子类一定能替换成它们的父类。

    派生类(子类)对象能够替换其基类(超类)对象被使用(这么理解)。

    也是正是由于这许多版本的存在在加上翻译,转述等等问题,最终导致了LSP的多种理解(不深究了)。按照我的理解,上面Liskov的表述虽然拗口,但是也不难明白。再加上Martin的解释,LSP原则就很清楚了。

    LSP说的其实是在构建类的继承结构的过程中需要遵循的基本原则,什么时候改用,什么时候不能用,避免继承的滥用。LSP和OCP是相关联的,也可以说是OCP的基本保证。试想,如果某个函数使用了指向基类的指针或引用,但是类的设计却违背了LSP原则,那么这个函数就必须了解该基类的所有派生类。这个函数显然违背开放-封闭原则OCP,因为一旦新构建该基类的子类,此函数就需要修改。

     

        经典的”正方形不是矩形“的问题。在数学的世界里,正方形当然是矩形。用OO的数据,正方形和矩形之间是IS-A的关系——这个关系正好是OO初级教程里说的确定继承关系的依据。因此,理所当然的,正方形类然Square应该继承长方形类Rectangle:

    public class Rectangle
    {
        private long width;
        private long height;
        public void setWidth(long width){
             this.width=width;
         }
         public void setHeight(long height){
              this.height=height;
         }
         public long getWidth(){
             return width;
         }
         public long getHeight(){
              return height;
         }
         
    };
    
    public class Square : Rectangle
    {
        public void setWidth(long width){
              this.width=width;
              this.height=width;
         }
         public void setHeight(long height){
              this.width=width;
              this.height=width;
         }
    };

    假设有这么一个函数:

    public Rectangle IncreaseHeight(Rectangle r)
    {
        while(r.getHeight()<r.getWidth()))
        {
            r.setHeight(r.getHeight()++)
        }
        
        return r;
    }

    如果传递给IncreaseHeight的是一个Rectangle(长宽不同)的对象的话,没问题;如果传递一个Square对象。。。谁都知道会是个什么结果!出现这个问题的原因就是这个继承结构的设计违反了LSP原则:Square类对Height和Weight的处理和Rectangle逻辑不同,Rectangle单独改变Widtht和Height,而Square必须同时改变Width和Height。所以,Square和Rectangle之间的继承关系是不能成立的。可以增加一个抽象类Quadrangle,定义四边形的公共方法,Square和Rectangle都从Quadrangle继承这些方法,同时可以添加自己特有的方法:

    其实,不只是这个“经典”的问题反映了现实世界中概念和OO概念的区别,很多情况都需要在做OOD的时候仔细考虑。只有符合了LSP的规定,才可能实现OCP。以下几条可作为实践经验:

    1.从抽象类继承,不要从实体类继承。因为实体类会具有和特定实体相关的方法,这些方法在子类中可能不会有用

    2.使用契约式编程方法。DBC(Design by Contract)把类和其客户之间的关系看作是一个正式的协议,明确各方的权利和义务。在父类里定义好子类需要实现的功能,而子类只要实现这些功能即可。

    3.所有派生类的行为功能必须和客户程序对其基类所期望的保持一致。上面的例子就是违背了这一条。其实,这是OO在继承和重写时的基本要求。

    转自:http://blog.csdn.net/brookes/article/details/1896758

    另一篇:

    Functions that  use pointers or references to baseclasses must be able  to use objects of derived classes without knowing it.

    所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。

    即:

    • 所以使用基类代码的地方,用派生类代码替换后,能够正确的执行动作处理。
    • 换句话说,如果派生类替换了基类后,不能够正确执行动作,那么他们的继承关系就应该废除。

    换个说法,只有满足以下2个条件的OO设计才可被认为是满足了LSP原则:

    • 不应该在代码中出现if/else之类对子类类型进行判断的条件。以下代码就违反了LSP定义。

    if(objtypeofClass1){

        dosomething

    }elseif(objtypeofClass2){

        dosomethingelse

    }

    • 子类应当可以替换父类并出现在父类能够出现的任何地方,

    或者说如果我们把代码中使用基类的地方用它的子类所代替,代码还能正常工作。

    里氏替换原则LSP是使代码符合开闭原则的一个重要保证。同时LSP体现了:

    • 类的继承原则:如果一个继承类的对象可能会在基类出现的地方出现运行错误,
    • 则该子类不应该从该基类继承,或者说,应该重新设计它们之间的关系。
    • 动作正确性保证:从另一个侧面上保证了符合LSP设计原则的类的扩展不会给已有的系统引入新的错误。

    类的继承原则:

    RobertC.Martin氏在介绍LiskovSubstitutionPrinciple(LSP)的原文里,举了Rectangle和Square的例子。

    这里沿用这个例子,但用Java语言对其加以重写,并忽略了某些细节只列出下面的精要

    部分来说明里氏替换原则对类的继承上的约束。

    //代码:

    classRectangle{

        doublewidth;

        doubleheight;

        publicdoublegetHeight(){

            returnheight;

        }

        publicvoidsetHeight(doubleheight){

            this.height=height;

        }

        publicdoublegetWidth(){

            returnwidth;

        }

        publicvoidsetWidth(doublewidth){

            this.width=width;

        }

    }

    classSquareextendsRectangle{

        publicvoidsetHeight(doubleheight){

            super.setHeight(height);

            super.setWidth(height);

        }

        publicvoidsetWidth(doublewidth){

            super.setHeight(width);

            super.setWidth(width);

        }

    }

    这里Rectangle是基类,Square从Rectangle继承。

    这种继承关系有什么问题吗?

    假如已有的系统中存在以下既有的业务逻辑代码:

    voidg(Rectangler){

        r.setWidth(5);

        r.setHeight(4);

        if(r.getWidth()*r.getHeight()!=20){

            thrownewRuntimeException();

        }

    }

    则对应于扩展类Square,在调用既有业务逻辑时:

    Rectanglesquare=newSquare();

    g(square);

    时会抛出一个RuntimeException异常。这显然违反了LSP原则。

    动作正确性保证:

    因为LSP对子类的约束,所以为已存在的类做扩展构造一个新的子类时,

    根据LSP的定义,不会给已有的系统引入新的错误。

    DesignbyContract

    根据BertrandMeyer氏提出的DesignbyContract(DBC:基于合同的设计)概念的描述,

    对于类的一个方法,都有一个前提条件以及一个后续条件,前提条件说明方法接受什么样的参数数据等,

    只有前提条件得到满足时,这个方法才能被调用;同时后续条件用来说明这个方法完成时的状态,

    如果一个方法的执行会导致这个方法的后续条件不成立,那么这个方法也不应该正常返回

    现在把前提条件以及后续条件应用到继承子类中,子类方法应该满足:

    1)前提条件不强于基类.

    2)后续条件不弱于基类.

    换句话说,通过基类的接口调用一个对象时,用户只知道基类前提条件以及后续条件。

    因此继承类不得要求用户提供比基类方法要求的更强的前提条件,

    亦即,继承类方法必须接受任何基类方法能接受的任何条件(参数)。

    同样,继承类必须顺从基类的所有后续条件,亦即,

    继承类方法的行为和输出不得违反由基类建立起来的任何约束,不能让用户对继承类方法的输出感到困惑。

    这样,我们就有了基于合同的LSP,基于合同的LSP是LSP的一种强化。

    在很多情况下,在设计初期我们类之间的关系不是很明确,

    LSP则给了我们一个判断和设计类之间关系的基准:需不需要继承,以及怎样设计继承关系。

    总结

    LSP:子类必须能够替换基类。

    Subtypesmustbesubstitutable fortheirbasetypes.

    1.LSP关注的是怎样良好的使用继承.

    2.必须要清楚是使用一个Method还是要扩展它,但是绝对不是改变它。

    3.LSP清晰的指出,OOD的IS-A关系是就行为方式而言,

       行为方式是可以进行合理假设的,是客户程序所依赖的。

    4.LSP让我们得出一个重要的结论:一个模型如果孤立的看,并不具有真正意义的有效性。

       模型的有效性只能通过它的客户程序来表现。必须根据设计的使用者做出的合理假设来审视它。

       而假设是难以预测的,直到设计臭味出现的时候才处理它们。

    5.对于LSP的违反也潜在的违反了OC

     最初的Rectangle-square例子:

    public class Rectangle
    
    {
    
        protected int _width;
    
        protected int _height;
    
        public int Width
    
        {
    
            get { return _width; }
    
        }
    
    
        public int Height
    
        {
    
            get { return _height; }
    
        }
    
    
        public virtual void SetWidth(int width)
    
        {
    
            _width = width;
    
        }
    
    
        public virtual void SetHeight(int height)
    
        {
    
            _height = height;
    
        }
    
    }
    
    
    public class Square: Rectangle
    
    {
    
        public override void SetWidth(int width)
    
        {
    
            _width = width;
    
            _height = width;
    
        }
    
    
        public override void SetHeight(int height)
    
        {
    
            _height = height;
    
            _width = height;
    
        }
    
    }
    
    
    [TestFixture]
    
    public class RectangleTests
    
    {
    
        [Test]
    
        public void AreaOfRectangle()
    
        {
    
            Rectangle r = new Square();
    
    
            r.SetWidth(5);
    
            r.SetHeight(2);
    
    
            // Will Fail – r is a square and sets
    
            // width and height equal to each other.
    
            Assert.IsEqual(r.Width * r.Height,10);
    
        }
    
    }

     

     

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