设计模式六大原则（2）：里氏替换原则

里氏替换原则：

核心精神：

在使用基类的的地方可以任意使用其子类，能保证子类完美替换基类；

这一精神其实是对继承机制约束规范的体现。

在父类和子类的具体实现中，严格控制继承层次中的关系特征，以保证用子类替换基类时，程序行为不发生问题，且能正常进行下去。

        里氏替换原则主要发力点是继承基础上的抽象和多态，具体就是子类必须实现父类的方法，是重写；

这里要注意重写（Override）与重载（Overload）的区分，

即使参数的数据范围发生变化，也能将重写变成重载！

而你原本只是想把所继承的方法完善的具体点儿！如果是这样的话绝对会引起以后业务逻辑的混乱。

        

里氏替换原则是关于继承机制的设计原则，违反里氏替换原则将会使继承变的一塌糊涂；而遵循里氏替换原则能够保证系统具有良好的的拓展性，我们可以随时根据需要增改不同的子类，这将大大增强程序的健壮性，让版本的升级可以做到非常好的兼容；同时基于多态的抽象机制，能够很好的减少代码冗余，避免运行期的类型判别等；而在项目的实施中不同的子类对应着不同的业务，使用父类做参数，不同子类可以轮番上阵，必然强大！

 

回顾下【重写（Override）与重载（Overloaded）】

多态性是面向对象编程的一种特性，和方法本身无关。

方法的重载，就是同样的一个方法能够根据输入数据的不同，做出不同的处理——有不同的参数列表，甚至不同的返回值（静态多态性）

         方法的在重写，是子类继承自父类的相同方法，输入参数一样，但要做出有别于父类的操作，要覆盖父类方法。——相同参数，相同返回值，不同实现（动态多态性）

         用好重写和重载可以设计一个结构清晰而简洁的类，重写和重载在编写代码过程中的作用非同凡响。

肯定有不少人跟我刚看到这项原则的时候一样，对这个原则的名字充满疑惑。其实原因就是这项原则最早是在1988年，由麻省理工学院的一位姓里的女士（Barbara Liskov）提出来的。

定义1：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。

定义2：所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。

问题由来：有一功能P1，由类A完成。现需要将功能P1进行扩展，扩展后的功能为P，其中P由原有功能P1与新功能P2组成。新功能P由类A的子类B来完成，则子类B在完成新功能P2的同时，有可能会导致原有功能P1发生故障。

解决方案：当使用继承时，遵循里氏替换原则。类B继承类A时，除添加新的方法完成新增功能P2外，尽量不要重写父类A的方法，也尽量不要重载父类A的方法。

继承包含这样一层含义：父类中凡是已经实现好的方法（相对于抽象方法而言），实际上是在设定一系列的规范和契约，虽然它不强制要求所有的子类必须遵从这些契约，但是如果子类对这些非抽象方法任意修改，就会对整个继承体系造成破坏。而里氏替换原则就是表达了这一层含义。

继承作为面向对象三大特性之一，在给程序设计带来巨大便利的同时，也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性，程序的可移植性降低，增加了对象间的耦合性，如果一个类被其他的类所继承，则当这个类需要修改时，必须考虑到所有的子类，并且父类修改后，所有涉及到子类的功能都有可能会产生故障。

举例说明继承的风险，我们需要完成一个两数相减的功能，由类A来负责。

class A{public int func1(int a, int b){return a-b;}}public class Client{public static void main(String[] args){A a = new A();System.out.println("100-50="+a.func1(100, 50));System.out.println("100-80="+a.func1(100, 80));}} 

运行结果：

100-50=50

100-80=20

后来，我们需要增加一个新的功能：完成两数相加，然后再与100求和，由类B来负责。即类B需要完成两个功能：

• 两数相减。
• 两数相加，然后再加100。

由于类A已经实现了第一个功能，所以类B继承类A后，只需要再完成第二个功能就可以了，代码如下：

class B extends A{public int func1(int a, int b){return a+b;}public int func2(int a, int b){return func1(a,b)+100;}}public class Client{public static void main(String[] args){B b = new B();System.out.println("100-50="+b.func1(100, 50));System.out.println("100-80="+b.func1(100, 80));System.out.println("100+20+100="+b.func2(100, 20));}} 

类B完成后，运行结果：

100-50=150

100-80=180

100+20+100=220

我们发现原本运行正常的相减功能发生了错误。原因就是类B在给方法起名时无意中重写了父类的方法，造成所有运行相减功能的代码全部调用了类B重写后的方法，造成原本运行正常的功能出现了错误。在本例中，引用基类A完成的功能，换成子类B之后，发生了异常。在实际编程中，我们常常会通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的几率非常大。如果非要重写父类的方法，比较通用的做法是：原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类，原有的继承关系去掉，采用依赖、聚合，组合等关系代替。

里氏替换原则通俗的来讲就是：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。

它包含以下4层含义：

• 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。
• 子类中可以增加自己特有的方法。
• 当子类的方法重载父类的方法时，方法的前置条件（即方法的形参）要比父类方法的输入参数更宽松。
• 当子类的方法实现父类的抽象方法时，方法的后置条件（即方法的返回值）要比父类更严格。

看上去很不可思议，因为我们会发现在自己编程中常常会违反里氏替换原则，程序照样跑的好好的。所以大家都会产生这样的疑问，假如我非要不遵循里氏替换原则会有什么后果？

后果就是：你写的代码出问题的几率将会大大增加。

里氏代换原则由2008年图灵奖得主、美国第一位计算机科学女博士Barbara Liskov教授和卡内基·梅隆大学Jeannette Wing教授于1994年提出。其严格表述如下：如果对每一个类型为S的对象o1，都有类型为T的对象o2，使得以T定义的所有程序P在所有的对象o1代换o2时，程序P的行为没有变化，那么类型S是类型T的子类型。这个定义比较拗口且难以理解，因此我们一般使用它的另一个通俗版定义：

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle, LSP)：所有引用基类（父类）的地方必须能透明地使用其子类的对象。

      里氏代换原则告诉我们，在软件中将一个基类对象替换成它的子类对象，程序将不会产生任何错误和异常，反过来则不成立，如果一个软件实体使用的是一个子类对象的话，那么它不一定能够使用基类对象。例如：我喜欢动物，那我一定喜欢狗，因为狗是动物的子类；但是我喜欢狗，不能据此断定我喜欢动物，因为我并不喜欢老鼠，虽然它也是动物。

      例如有两个类，一个类为BaseClass，另一个是SubClass类，并且SubClass类是BaseClass类的子类，那么一个方法如果可以接受一个BaseClass类型的基类对象base的话，如：method1(base)，那么它必然可以接受一个BaseClass类型的子类对象sub，method1(sub)能够正常运行。反过来的代换不成立，如一个方法method2接受BaseClass类型的子类对象sub为参数：method2(sub)，那么一般而言不可以有method2(base)，除非是重载方法。

      里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一，由于使用基类对象的地方都可以使用子类对象，因此在程序中尽量使用基类类型来对对象进行定义，而在运行时再确定其子类类型，用子类对象来替换父类对象。

      在使用里氏代换原则时需要注意如下几个问题：

      (1)子类的所有方法必须在父类中声明，或子类必须实现父类中声明的所有方法。根据里氏代换原则，为了保证系统的扩展性，在程序中通常使用父类来进行定义，如果一个方法只存在子类中，在父类中不提供相应的声明，则无法在以父类定义的对象中使用该方法。

      (2) 我们在运用里氏代换原则时，尽量把父类设计为抽象类或者接口，让子类继承父类或实现父接口，并实现在父类中声明的方法，运行时，子类实例替换父类实例，我们可以很方便地扩展系统的功能，同时无须修改原有子类的代码，增加新的功能可以通过增加一个新的子类来实现。里氏代换原则是开闭原则的具体实现手段之一。

      (3) Java语言中，在编译阶段，Java编译器会检查一个程序是否符合里氏代换原则，这是一个与实现无关的、纯语法意义上的检查，但Java编译器的检查是有局限的。

      在Sunny软件公司开发的CRM系统中，客户(Customer)可以分为VIP客户(VIPCustomer)和普通客户(CommonCustomer)两类，系统需要提供一个发送Email的功能，原始设计方案如图1所示：

图1原始结构图

      在对系统进行进一步分析后发现，无论是普通客户还是VIP客户，发送邮件的过程都是相同的，也就是说两个send()方法中的代码重复，而且在本系统中还将增加新类型的客户。为了让系统具有更好的扩展性，同时减少代码重复，使用里氏代换原则对其进行重构。

      在本实例中，可以考虑增加一个新的抽象客户类Customer，而将CommonCustomer和VIPCustomer类作为其子类，邮件发送类EmailSender类针对抽象客户类Customer编程，根据里氏代换原则，能够接受基类对象的地方必然能够接受子类对象，因此将EmailSender中的send()方法的参数类型改为Customer，如果需要增加新类型的客户，只需将其作为Customer类的子类即可。重构后的结构如图2所示：

图2  重构后的结构图

      里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一。在本实例中，在传递参数时使用基类对象，除此以外，在定义成员变量、定义局部变量、确定方法返回类型时都可使用里氏代换原则。针对基类编程，在程序运行时再确定具体子类。

摘自百度：

简单的说一下。

首先，这是编译器的要求，如果不这么做，无法通过编译。
其次，面向对象的编程，其中继承有个大原则，任何子类的对象都可以当成父类的对象使用。

如有父类人类，可以使用一般的枪，有警察类，可以使用任何的枪。
class Person {
void shoot(SimpleGun simpleGun);
}
class Police extends Person {
void shoot(Gun gun);

}
其中SimpleGun extends Gun。

这样的话任何警察类的对象都可以被当做人类来使用。
也就是说警察类既然会使用任何的枪，当然可以使用一般的枪。
Person person = new Police();
person.shoot(simpleGun);

而如果反过来，普通人可以使用任何抢，警察只能使用一般枪。
class Person {
void shoot(Gun gun);
}
class Police extends Person {
void shoot(SimpleGun simpleGun);

}
这样的话就不合理了，既然警察是人类的一个子类，所以警察也是人类，既然是人类就应该能使用人类的方法，也就是使用任何的枪，可以根据上面的定义，反而警察类的能力还变小了。

所以有一个原则，子类的能力必须大于等于父类，即父类可以使用的方法，子类都可以使用。

返回值也是同样的道理。
假设一个父类方法返回一个List，子类返回一个ArrayList，这当然可以。
如果父类方法返回一个ArrayList，子类返回一个List，就说不通了。
这里子类返回值的能力是比父类小的。

还有抛出异常的情况。
任何子类方法可以声明抛出父类方法声明异常的子类。
而不能声明抛出父类没有声明的异常。

这一切都是为了，任何子类的对象都可以当做父类使用。