里氏替换原则

里氏替换原则

2.1 爱恨纠葛的父子关系

在面向对象的语言中，继承是必不可少的、非常优秀的语言机制，它有如下优点：

•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，但又异于父类，“龙生龙，凤生凤，老鼠生来会打洞”是说子拥有父的“种”，“世界上没有两片完全相同的叶子”是指明子与父的不同；

•提高代码的可扩展性，实现父类的方法就可以“为所欲为”了，君不见很多开源框架的扩展接口都是通过继承父类来完成的；

•提高产品或项目的开放性。

自然界的所有事物都是优点和缺点并存的，即使是鸡蛋，有时候也能挑出骨头来，继承的缺点如下：

•继承是侵入性的。只要继承，就必须拥有父类的所有属性和方法；

•降低代码的灵活性。子类必须拥有父类的属性和方法，让子类自由的世界中多了些约束；

•增强了耦合性。当父类的常量、变量和方法被修改时，必需要考虑子类的修改，而且在缺乏规范的环境下，这种修改可能带来非常糟糕的结果——大片的代码需要重构。

Java使用extends关键字来实现继承，它采用了单一继承的规则，C++则采用了多重继承的规则，一个子类可以继承多个父类。从整体上来看，利大于弊，怎么才能让“利”的因素发挥最大的作用，同时减少“弊”带来的麻烦呢？解决方案是引入里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，简称LSP），什么是里氏替换原则呢？它有两种定义：第一种定义，最正宗的定义：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.

如果对每一个类型为T1的对象o1，都有类型为T2的对象o2，使得以T1定义的所有程序P在所有的对象o1都代换成o2时，程序P的行为没有发生变化，那么类型T2是类型T1的子类型。

第二种定义，functions that use pointers or references to base classes 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。

第二个定义是最清晰明确的，通俗点讲，只要父类能出现的地方子类就可以出现，而且替换为子类还不产生任何错误或异常，使用者可能根本就不需要知道是父类还是子类。但是，反过来就不行了，有子类出现的地方，父类未必就能适应。

2.2 纠纷不断，规则压制

里氏替换原则为良好的继承定义了一个规范，一句简单的定义包含了四层含义：

•子类必须完全实现父类的方法

我们在做系统设计时，经常会定义一个接口或抽象类，然后编码实现，调用类则直接传入接口或抽象类，其实这里已经使用了里氏替换原则。我们举个例子来说明这个原则，大家都打过CS吧，非常经典的FPS类游戏，我们来描述一下里面用到的枪，类图如图2-1所示。

图2-1 CS 游戏中的枪械类图

枪的主要职责是射击，如何射击在各个具体的子类中定义，手 枪是单发射程比较近，步枪威力大射程远，机枪用于扫射。在士兵类中定义了一个方法killEnemy ，使用枪来杀敌人，具体使用什么枪来杀敌人，调用的时候才知道，AbstractGun 类的源程序如代码清单2-1所示。

代码清单2-1 枪支的抽象类 1 public abstract

class AbstractGun { 2

3 //枪用来干什么的？射击杀戮！

4

5 public abstract void shoot();

6

7 }

手 枪、步枪、机枪的实现类如代码清单2-2所示。

代码清单2-2 手 枪、步枪、机枪的实现类

01 public class Handgun extends

AbstractGun {

02

03 //手 枪的特点是携带方便，射程短

有了枪械，还要有能够使用这些枪械的士兵，其源程序如代码清单2-3所示。

代码清单2-3 士兵的实现类

注意粗体部分，定义士兵使用枪来杀敌，但是这把枪是时抽象的，具体是手枪还是步枪需要在上战场前（也就是场景中）前确定。场景类Client的源代码如代码清单2-4所示。

代码清单2-4 场景类

Soldier(); 08

09 sanMao.killEnemy(new Rifle());

10

11 }

12

13 }

有人，有枪，也有场景，运行结果如下所示。

士兵开始杀人...

步枪射击...

在这个程序中，我们给三毛这个士兵一把步枪，然后就开始杀敌了，如果三毛要使用机枪当然也可以,直接把sanMao.killEnemy(new Rifle())修改为 sanMao.killEnemy(new MachineGun())就可以了，在编写程序时Solider 士兵类根本就不用知道是哪个型号的枪（子类）被传入。

注意 在类中调用其他类时务必要使用父类或接口，如果不能使用父类或接口，则说明类的设计已经违背了LSP 原则。

我们再来想一想，如果我们有一个玩具手 枪，该如何定义呢？我们先在类图2-1上增加一个类ToyGun ，然后继承于AbstractGun 类，修改后的类图如图2-2所示。

图2-2 枪械类图

首先我们想，玩具枪是不能用来射击的，杀不死人的，这个不应该写在shoot 方法中。新增加的ToyGun 的源代码如代码清单2-5所示。