软件架构设计原则之里氏替换原则

Tom弹架构

里氏替换原则(Liskov Substitution Principle,LSP)是指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都替换成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。

这个定义看上去还是比较抽象的,我们重新理解一下。可以理解为一个软件实体如果适用于一个父类,那么一定适用于其子类,所有引用父类的地方必须能透明地使用其子类的对象,子类对象能够替换父类对象,而程序逻辑不变。根据这个理解,引申含义为:子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有的功能。

(1)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。

(2)子类可以增加自己特有的方法。

(3)当子类的方法重载父类的方法时,方法的前置条件(即方法的输入/入参)要比父类方法的输入参数更宽松。

(4)当子类的方法实现父类的方法时(重写/重载或实现抽象方法),方法的后置条件(即方法的输出/返回值)要比父类更严格或与父类一样。

在讲开闭原则的时候我埋下了一个伏笔,在获取折扣时重写覆盖了父类的getPrice()方法,增加了一个获取源码的方法getOriginPrice(),显然就违背了里氏替换原则。我们修改一下代码,不应该覆盖getPrice()方法,增加getDiscountPrice()方法:

public class JavaDiscountCourse extends JavaCourse {

    public JavaDiscountCourse(Integer id, String name, Double price) {

        super(id, name, price);

    }

    public Double getDiscountPrice(){

        return super.getPrice() * 0.61;

    }

}

使用里氏替换原则有以下优点:

(1)约束继承泛滥,是开闭原则的一种体现。

(2)加强程序的健壮性,同时变更时也可以做到非常好的兼容性,提高程序的可维护性和扩展性,降低需求变更时引入的风险。

现在来描述一个经典的业务场景,用正方形、矩形和四边形的关系说明里氏替换原则,我们都知道正方形是一个特殊的长方形,所以就可以创建一个父类Rectangle:

public class Rectangle {

    private long height;

    private long width;

    @Override

    public long getWidth() {

        return width;

    }

    @Override

    public long getLength() {

        return length;

    }

    public void setLength(long length) {

        this.length = length;

    }

    public void setWidth(long width) {

        this.width = width;

    }

}

创建正方形类Square继承Rectangle类:

public class Square extends Rectangle {

    private long length;

    public long getLength() {

        return length;

    }

    public void setLength(long length) {

        this.length = length;

    }

    @Override

    public long getWidth() {

        return getLength();

    }

    @Override

    public long getHeight() {

        return getLength();

    }

    @Override

    public void setHeight(long height) {

        setLength(height);

    }

    @Override

    public void setWidth(long width) {

        setLength(width);

    }

}

在测试类中创建resize()方法,长方形的宽应该大于等于高,我们让高一直自增,直到高等于宽,变成正方形:

public static void resize(Rectangle rectangle){

    while (rectangle.getWidth() >= rectangle.getHeight()){

        rectangle.setHeight(rectangle.getHeight() + 1);

        System.out.println("width:"+rectangle.getWidth() + ",height:"+rectangle.getHeight());

    }

    System.out.println("resize方法结束" +

            "\nwidth:"+rectangle.getWidth() + ",height:"+rectangle.getHeight());

}

测试代码如下:

public static void main(String[] args) {

    Rectangle rectangle = new Rectangle();

    rectangle.setWidth(20);

    rectangle.setHeight(10);

    resize(rectangle);

}

运行结果如下图所示。

file

我们发现高比宽还大了,这在长方形中是一种非常正常的情况。现在我们把Rectangle类替换成它的子类Square,修改测试代码:

public static void main(String[] args) {

    Square square = new Square();

    square.setLength(10);

    resize(square);

}

上述代码运行时出现了死循环,违背了里氏替换原则,将父类替换为子类后,程序运行结果没有达到预期。因此,我们的代码设计是存在一定风险的。里氏替换原则只存在于父类与子类之间,约束继承泛滥。我们再来创建一个基于长方形与正方形共同的抽象四边形接口Quadrangle:

public interface Quadrangle {

    long getWidth();

    long getHeight();

}

修改长方形类Rectangle:

public class Rectangle implements Quadrangle {

    private long height;

    private long width;

    @Override

    public long getWidth() {

        return width;

    }

    public long getHeight() {

        return height;

    }

    public void setHeight(long height) {

        this.height = height;

    }

    public void setWidth(long width) {

        this.width = width;

    }

}

修改正方形类Square:

public class Square implements Quadrangle {

    private long length;

    public long getLength() {

        return length;

    }

    public void setLength(long length) {

        this.length = length;

    }

    @Override

    public long getWidth() {

        return length;

    }

    @Override

    public long getHeight() {

        return length;

    }

}

此时,如果我们把resize()方法的参数换成四边形接口Quadrangle,方法内部就会报错。因为正方形类Square已经没有了setWidth()和setHeight()方法。因此,为了约束继承泛滥,resize()方法的参数只能用Rectangle类。当然,我们在后面的设计模式的内容中还会继续深入讲解。

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