类设计之 里氏代换原则

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10.3.2  里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）

里氏代换原则是由麻省理工学院（MIT）计算机科学实验室的Liskov女士，在1987年的OOPSLA大会上发表的一篇文章《Data Abstraction and Hierarchy》里面提出来的，主要阐述了有关继承的一些原则，也就是什么时候应该使用继承，什么时候不应该使用继承，以及其中的蕴涵的原理。2002年，软件工程大师Robert C. Martin，出版了一本《Agile Software Development Principles Patterns and Practices》，在文中他把里氏代换原则最终简化为一句话："Subtypes must be substitutable for their base types"，也就是说，子类必须能够替换成它们的基类。

我们把里氏代换原则解释得更完整一些：在一个软件系统中，子类应该可以替换任何基类能够出现的地方，并且经过替换以后，代码还能正常工作。子类也能够在基类的基础上增加新的行为。

里氏代换原则是对开闭原则的补充，它讲的是基类和子类的关系。只有当这种关系存在时，里氏代换关系才存在。

"正方形是长方形"是一个理解里氏代换原则的最经典的例子。在数学领域里，正方形毫无疑问是长方形，它是一个长宽相等的长方形。所以，应该让正方形继承自长方形。

长方形类如程序10-1所示。

程序10-1  长方形类Rectangle.java

package principle.liskovsubstitution;  
 
public class Rectangle {  
    private int height;   
    private int width;  
 
    public int getHeight() {  
        return height;  
    }  
 
    public void setHeight(int height) {  
        this.height = height;  
    }  
 
    public int getWidth() {  
        return width;  
    }  
 
    public void setWidth(int width) {  
        this.width = width;  
    }  
} 

继承了长方形的正方形类如程序10-2所示。

程序10-2  正方形类Square.java

package principle.liskovsubstitution;  
 
public class Square extends Rectangle {  
    public void setWidth(int width) {  
        super.setWidth(width);  
        super.setHeight(width);  
    }  
    public void setHeight(int height) {  
        super.setWidth(height);  
        super.setHeight(height);  
    }  
} 

由于正方形的长度和宽度必须相等，所以在方法setLength()和setWidth()中，对长度和宽度赋值相同。程序10-3所示的测试类中的函数zoom()用来增加长方形的长和宽。

程序10-3  测试类TestRectangle.java

package principle.liskovsubstitution;  
 
public class TestRectangle {  
    public void zoom(Rectangle rectangle, int width, int height) {  
        rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + width);  
        rectangle.setHeight(rectangle.getHeight() + height);  
    }  
} 

显然，当增加的长度和宽度不同时，不能够将其中的长方形换成其子类正方形。这就违反了里氏代换原则。

为了符合里氏代换原则，我们可以为长方形和正方形创建一个父类Base，并在其中定义好共有的属性，并定义一个zoom()抽象函数，如程序10-4所示。

程序10-4  父类Base.java

package principle.liskovsubstitution;  
 
public abstract class Base {  
    private int height;  
    private int width;  
 
    public int getHeight() {  
        return height;  
    }  
 
    public void setHeight(int height) {  
        this.height = height;  
    }  
 
    public int getWidth() {  
        return width;  
    }  
 
    public void setWidth(int width) {  
        this.width = width;  
    }  
 
    public abstract void zoom(int width, int height);  
} 

长方形类继承自该父类，并编写自己的zoom()实现函数，如程序10-5所示。

程序10-5  修改后的长方形类BaseRectangle.java

package principle.liskovsubstitution;  
 
public class BaseRectangle extends Base {  
    public void zoom(int width, int height) {  
        setWidth(getWidth() + width);  
        setHeight(getHeight() + height);  
    }  
} 

正方形类也继承自该父类，并编写自己的zoom()实现函数，如程序10-6所示。

程序10-6  修改后的正方形类BaseSquare.java

package principle.liskovsubstitution;  
 
public class BaseSquare extends Base {  
    public void setWidth(int width) {  
        super.setWidth(width);  
        super.setHeight(width);  
    }  
    public void setHeight(int height) {  
        super.setWidth(height);  
        super.setHeight(height);  
    }  
      
    public void zoom(int width, int height) {  
        int length = (width + height) /2;  
        setWidth(getWidth() + length);  
        setHeight(getHeight() + length);  
    }  
} 

编写测试函数如程序10-7所示。

程序10-7  修改后的测试类BastTest.java

package principle.liskovsubstitution;  
 
public class BastTest {  
    public void zoom(Base base, int width, int height) {  
        base.zoom(width, height);  
    }  
} 

此时的Base类可以被它的子类Rectangle和Square所替代，而不用改变测试代码。这就是符合里氏代换原则的编写方式。

由此可见，在进行设计的时候，我们尽量从抽象类继承，而不是从具体类继承。如果从继承等级树来看，所有叶子节点应当是具体类，而所有的树枝节点应当是抽象类或者接口。当然这只是一个一般性的指导原则，使用的时候还要具体情况具体分析。