文章目录

  • 1.里式替换原则定义
  • 2. 举例说明
    • 示例1:
    • 示例2:
  • 3. 哪些代码明显违背了 LSP?
    • 子类违背父类声明要实现的功能
    • 子类违背父类对输入、输出、异常的约定
    • 子类违背父类注释中所罗列的任何特殊说明
    • 开发 Tips
  • 4. 小结:

「设计模式」六大原则系列链接:
「设计模式」六大原则之一:单一职责小结
「设计模式」六大原则之二:开闭职责小结
「设计模式」六大原则之三:里氏替换原则小结
「设计模式」六大原则之四:接口隔离原则小结
「设计模式」六大原则之五:依赖倒置原则小结
「设计模式」六大原则之六:最小知识原则小结

六大原则体现很多编程的底层逻辑:高内聚、低耦合、面向对象编程、面向接口编程、面向抽象编程,最终实现可读、可复用、可维护性。

设计模式的六大原则有:

  • Single Responsibility Principle:单一职责原则
  • Open Closed Principle:开闭原则
  • Liskov Substitution Principle:里氏替换原则
  • Law of Demeter:迪米特法则(最少知道原则)
  • Interface Segregation Principle:接口隔离原则
  • Dependence Inversion Principle:依赖倒置原则
    把这六个原则的首字母联合起来( L 算做一个)就是 SOLID (solid,稳定的),其代表的含义就是这六个原则结合使用的好处:建立稳定、灵活、健壮的设计。

本文介绍 SOLID 中的第三个原则:里氏替换原则。

1.里式替换原则定义

里式替换原则的英文定义:Liskov Substitution Principle,缩写为 LSP。这个原则最早是在 1986 年由 Barbara Liskov 提出,他是这么描述这条原则的:

If S is a subtype of T, then objects of type T may be replaced with objects of type S, without breaking the program。

在 1996 年,Robert Martin 在他的 SOLID 原则中,重新描述了这个原则,英文原话是这样的:

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

我们综合两者的描述,将这条原则用中文描述出来,是这样的:子类对象(object of subtype/derived class)能够替换程序(program)中父类对象(object of base/parent class)出现的任何地方,并且保证原来程序的逻辑行为(behavior)不变及正确性不被破坏。

简单点说,子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有的功能。当子类继承父类时,除新添加的方法且完成新增的功能外,尽量不要重写父类的方法。有四个含义:

  • 子类可以实现父类的抽象方法,但不能覆盖父类的非抽象方法。

  • 子类可以增加自己的特有方法。

  • 当子类的方法重载父类的方法时,方法的前置条件(输入的参数)要比父类的方法更宽松。

  • 当子类的方法实现父类的方法(重写、重载或实现抽象方法)时,方法的后置条件(即方法的输出或返回值)要比父类的方法更严格或与父类的方法相等。

凡是用到父类的地方,替换成子类不会改变原有逻辑。(反过来不行,有子类出现的地方,父类未必能适应,因为子类有功能增强)

我们知道面向对象编程的三个基本原则: 封装,继承和多态。里氏置换原则就是继承的体现,主要用来解决继承带来的问题。

里氏替换原则的核心是抽象,抽象又依赖于继承。

2. 举例说明

示例1:

父类 Transporter 使用 org.apache.http 库中的 HttpClient 类来传输网络数据。

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;}@Overridepublic 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);}
}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*/););

子类 SecurityTransporter 的设计完全符合里式替换原则,可以替换父类出现的任何位置,并且原来代码的逻辑行为不变且正确性也没有被破坏。

思考点:如果在子类中使用了多态的思想,重写了这个方法会出现什么问题


public class SecurityTransporter extends Transporter {//...省略其他代码..@Overridepublic Response sendRequest(Request request) {// 如果父类没有处理,而子类在里处理了,虽然抛出的是运行时异常(Runtime Exception),我们可以不在代码中显式地捕获处理,但是这里违背了该设计原则if (StringUtils.isBlank(appId) || StringUtils.isBlank(appToken)) {throw new NoAuthorizationRuntimeException(...);}request.addPayload("app-id", appId);request.addPayload("app-token", appToken);return super.sendRequest(request);}
}

虽然改造之后的代码仍然可以通过 Java 的多态语法,动态地用子类 SecurityTransporter 来替换父类 Transporter,也并不会导致程序编译或者运行报错。但是,从设计思路上来讲,SecurityTransporter 的设计是不符合里式替换原则的。

示例2:

比如 Android中 window 和 view 的关系实现,也符合了该原则。

// 窗口类
public class Window {public void show(View child) {child.draw();}
}
// 父类实现
//建立视图抽象
public abstract class View {public abstract void draw();public void measure(int width, int height){// 测量视图大小}
}// 子类实现
// 按钮类的具体实现
public class Button extends View{public void draw(){// 绘制按钮}
}
// 文本类的具体实现
public class TextView extends View{public void draw(){// 绘制文本}
}

通过里氏替换,可以自定义实现各式各样的 View ,然后传递给 window, window 负责组织 view, 并且将 View 绘制到屏幕上。

3. 哪些代码明显违背了 LSP?

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。

子类违背父类对输入、输出、异常的约定

在父类中,某个函数约定: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。那子类的设计就违背里式替换原则。

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,那子类的设计就违背了里式替换原则。

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,都会导致子类违背里式替换原则。

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。

开发 Tips

以上便是三种典型的违背里式替换原则的情况。除此之外,判断子类的设计实现是否违背里式替换原则,还有一个小窍门,那就是拿父类的单元测试去验证子类的代码。如果某些单元测试运行失败,就有可能说明,子类的设计实现没有完全地遵守父类的约定,子类有可能违背了里式替换原则。

4. 小结:

理解这个原则,我们还要弄明白里式替换原则跟多态的区别。虽然从定义描述和代码实现上来看,多态和里式替换有点类似,但它们关注的角度是不一样的。多态是面向对象编程的一大特性,也是面向对象编程语言的一种语法。它是一种代码实现的思路。而里式替换是一种设计原则,用来指导继承关系中子类该如何设计,子类的设计要保证在替换父类的时候,不改变原有程序的逻辑及不破坏原有程序的正确性。

参考:

《设计模式之美》

《重学 Java 设计模式》

《Android 源码设计模式解析与实战》

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