Java设计模式——里氏代换原则

一、什么是里氏代换原则？

一个软件实体如果使用的是一个基类的话，那么一定适用于其子类，而且它根本不能察觉出基类对象和子类对象的区别。比如，假设有两个类，一个是Base类，另一个是Derived类，并且Derived类是Base类的子类。那么一个方法如果可以接受基类对象Base的话：

method(Base b)，那么它必然可以接受一个子类对象d,也即method(d)。

里氏代换原则是继承复用的基石。只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不会受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也才能够在基类的基础上增加新的行为。

二、从代码重构的角度理解

里氏代换原则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；反之则不存在。如果有两个具体类A和B之间的关系违反了里氏代换原则的设计，根据具体情况可以在下面的两种重构方案中选择一种：

（1）      创建一个新的类C，作为两个具体类的超类，将A和B的共同行为移动到C中，从而解决A和B行为不完全一致的问题，如下图所示。

（2）      从B到A的继承关系，改写为委派关系，如下图所示。

正方形和长方形

一个长方形Rectangle类

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

当width和height相等时，就得到了正方形对象。因此，长方形的对象中有一些是正方形对象。一个正方形Square类

public class Square {private long side;public long getSide() {return side;}public void setSide(long side) {this.side = side;}}

因为这个正方形类不是长方形的子类，而且也不可能成为长方形的子类，因此在Rectangle类和Square类之间不存在里氏代换关系，如下图所示。

正方形不可以作为长方形的子类

为什么正方形不可以作为长方形的子类呢？如果将正方形设置成长方形的子类，类图

Square类的源代码：

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

这样，只要width或height被赋值了，那么width和height会被同时赋值，从而使长方形的长和宽总是相等的。但是如果客户端使用一个Square对象调用下面的resize()方法时，就会得出与使用一个Rectangle对象不同的结论。当传入的是一个Rectangle对象时，这个resize()方法会将宽度不断增加，直到它超过长度才会停下来。如果传入的是一个Square对象，这个resize()方法会将正方形的边不断的增加下去，直到溢出为止。换言之，里氏代换原则被破坏了，因此Square不应当成为Rectangle的子类。

SmartTest类源代码

public class SmartTest {public void resize(Rectangle r){while(r.getWidth()<=r.getHeight()){r.setWidth(r.getWidth()+1);}}}

代码的重构

Rectangle类和Square类到底是怎样的关系呢？它们都应当属于四边形(Quadrangle)的子类,通过发明一个Quadrangle（四边形）类，并将Rectangle类和Square类变成它的具体子类，就解决了Rectangle类和Square类的关系不符合里氏代换原则的问题。如下图所示。

Java接口Quadrangle（四边形）类的代码，其中只声明了两个取值方法，没有声明任何的赋值方法。

public interface Quadrangle {public long getWidth();public long getHeight();}

长方形是四边形的子类，具有赋值方法。Rectangle类。

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

正方形是四边形的子类，具有赋值方法。Square类。

public class Square implements Quadrangle{private long side;public long getSide() {return side;}public void setSide(long side) {this.side = side;}public long getWidth() {return getSide();}public long getHeight() {return getSide();}}

破坏里氏代换原则的问题是怎么避免的呢？秘密在于基类Quadrangle类没有赋值方法。因此上面的resize()方法不可能适用于Quadrangle类型，而只能适用于不同的具体子类Rectangle和Square，因此里氏代换原则不可能被破坏。