里氏替換原則

在上一節《開閉原則——面向對象設計原則》中，我們詳細介紹了開閉原則，本節我們來介紹里式替換原則。

里氏替換原則的定義

里氏替換原則(Liskov Substitution Principle，LSP)由麻省理工學院計算機科學實驗室的里斯科夫(Liskov)女士在 1987 年的“面向對象技術的高峰會議”(OOPSLA)上發表的一篇文章《數據抽象和層次》(Data Abstraction and Hierarchy)里提出來的，她提出：繼承必須確保超類所擁有的性質在子類中仍然成立(Inheritance should ensure that any property proved about supertype objects also holds for subtype objects)。

里氏替換原則主要闡述了有關繼承的一些原則，也就是什么時候應該使用繼承，什么時候不應該使用繼承，以及其中蘊含的原理。里氏替換原是繼承復用的基礎，它反映了基類與子類之間的關系，是對開閉原則的補充，是對實現抽象化的具體步驟的規范。

里氏替換原則的作用

里氏替換原則的主要作用如下。

1、里氏替換原則是實現開閉原則的重要方式之一。

2、它克服了繼承中重寫父類造成的可復用性變差的缺點。

3、它是動作正確性的保證。即類的擴展不會給已有的系統引入新的錯誤，降低了代碼出錯的可能性。

里氏替換原則的實現方法

里氏替換原則通俗來講就是：子類可以擴展父類的功能，但不能改變父類原有的功能。也就是說：子類繼承父類時，除添加新的方法完成新增功能外，盡量不要重寫父類的方法。

如果通過重寫父類的方法來完成新的功能，這樣寫起來雖然簡單，但是整個繼承體系的可復用性會比較差，特別是運用多態比較頻繁時，程序運行出錯的概率會非常大。

如果程序違背了里氏替換原則，則繼承類的對象在基類出現的地方會出現運行錯誤。這時其修正方法是：取消原來的繼承關系，重新設計它們之間的關系。

關于里氏替換原則的例子，最有名的是“正方形不是長方形”。當然，生活中也有很多類似的例子，例如，企鵝、鴕鳥和幾維鳥從生物學的角度來劃分，它們屬于鳥類;但從類的繼承關系來看，由于它們不能繼承“鳥”會飛的功能，所以它們不能定義成“鳥”的子類。同樣，由于“氣球魚”不會游泳，所以不能定義成“魚”的子類;“玩具炮”炸不了敵人，所以不能定義成“炮”的子類等。

下面以“幾維鳥不是鳥”為例來說明里氏替換原則。

【例2】里氏替換原則在“幾維鳥不是鳥”實例中的應用。

分析：鳥一般都會飛行，如燕子的飛行速度大概是每小時 120 千米。但是新西蘭的幾維鳥由于翅膀退化無法飛行。假如要設計一個實例，計算這兩種鳥飛行 300 千米要花費的時間。顯然，拿燕子來測試這段代碼，結果正確，能計算出所需要的時間;但拿幾維鳥來測試，結果會發生“除零異常”或是“無窮大”，明顯不符合預期，其類圖如圖 1 所示。

圖1 “幾維鳥不是鳥”實例的類圖

程序代碼如下：

package principle;
public class LSPtest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Bird bird1=new Swallow();
        Bird bird2=new BrownKiwi();
        bird1.setSpeed(120);
        bird2.setSpeed(120);
        System.out.println("如果飛行300公里：");
        try
        {
            System.out.println("燕子將飛行"+bird1.getFlyTime(300)+"小時.");
            System.out.println("幾維鳥將飛行"+bird2.getFlyTime(300)+"小時。");
        }
        catch(Exception err)
        {
            System.out.println("發生錯誤了!");
        }
    }
}
//鳥類
class Bird
{
    double flySpeed;
    public void setSpeed(double speed)
    {
        flySpeed=speed;
    }
    public double getFlyTime(double distance)
    {
        return(distance/flySpeed);
    }
}
//燕子類
class Swallow extends Bird{}
//幾維鳥類
class BrownKiwi extends Bird
{
    public void setSpeed(double speed)
    {
           flySpeed=0;
    }
}

程序的運行結果如下：

如果飛行300公里：
燕子將飛行2.5小時.
幾維鳥將飛行Infinity小時。

程序運行錯誤的原因是：幾維鳥類重寫了鳥類的 setSpeed(double speed) 方法，這違背了里氏替換原則。正確的做法是：取消幾維鳥原來的繼承關系，定義鳥和幾維鳥的更一般的父類，如動物類，它們都有奔跑的能力。幾維鳥的飛行速度雖然為 0，但奔跑速度不為 0，可以計算出其奔跑 300 千米所要花費的時間。其類圖如圖 2 所示。

圖2 “幾維鳥是動物”實例的類圖