软件架构设计原则之里氏替换原则

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。