一、什么是里氏替換原則

1.1、里氏替換原則定義

里氏替換原則（Liskov Substitution principle）是對子類型的特別定義的. 為什么叫里氏替換原則呢?因?yàn)檫@項(xiàng)原則最早是在1988年，由麻省理工學(xué)院的一位姓里的女士（Barbara Liskov）提出來的。

里氏替換原則有兩層定義:

定義1

If S is a subtype of T, then objects of type T may be replaced with objects of type S, without breaking the program。
如果S是T的子類，則T的對象可以替換為S的對象，而不會破壞程序。

定義2：

Functions that use pointers of references to base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it。
所有引用其父類對象方法的地方，都可以透明的替換為其子類對象

這兩種定義方式其實(shí)都是一個(gè)意思，即：應(yīng)用程序中任何父類對象出現(xiàn)的地方，我們都可以用其子類的對象來替換，并且可以保證原有程序的邏輯行為和正確性。

1.2、里氏替換原則有至少有兩種含義

1.里氏替換原則是針對繼承而言的，如果繼承是為了實(shí)現(xiàn)代碼重用，也就是為了共享方法，那么共享的父類方法就應(yīng)該保持不變，不能被子類重新定義。子類只能通過新添加方法來擴(kuò)展功能，父類和子類都可以實(shí)例化，而子類繼承的方法和父類是一樣的，父類調(diào)用方法的地方，子類也可以調(diào)用同一個(gè)繼承得來的，邏輯和父類一致的方法，這時(shí)用子類對象將父類對象替換掉時(shí)，當(dāng)然邏輯一致，相安無事。

2.如果繼承的目的是為了多態(tài)，而多態(tài)的前提就是子類覆蓋并重新定義父類的方法，為了符合LSP，我們應(yīng)該將父類定義為抽象類，并定義抽象方法，讓子類重新定義這些方法，當(dāng)父類是抽象類時(shí)，父類就是不能實(shí)例化，所以也不存在可實(shí)例化的父類對象在程序里。也就不存在子類替換父類實(shí)例（根本不存在父類實(shí)例了）時(shí)邏輯不一致的可能。

不符合LSP的最常見的情況是，父類和子類都是可實(shí)例化的非抽象類，且父類的方法被子類重新定義，這一類的實(shí)現(xiàn)繼承會造成父類和子類間的強(qiáng)耦合，也就是實(shí)際上并不相關(guān)的屬性和方法牽強(qiáng)附會在一起，不利于程序擴(kuò)展和維護(hù)。

二、使用里氏替換原則的目的

采用里氏替換原則就是為了減少繼承帶來的缺點(diǎn)，增強(qiáng)程序的健壯性，版本升級時(shí)也可以保持良好的兼容性。即使增加子類，原有的子類也可以繼續(xù)運(yùn)行。

三、里氏替換原則與繼承多態(tài)之間的關(guān)系

里氏替換原則和繼承多態(tài)有關(guān)系, 但是他倆并不是一回事. 我們來看看下面的案例

public class Cache {
    public void set(String key, String value) {

    }
}

public class Redis extends Cache {
    @Override
    public void set(String key, String value) {

    }
}


public class Memcache extends Cache {
    @Override
    public void set(String key, String value) {

    }
}

public class CacheTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 父類對象都可以接收子類對象
        Cache cache = new Cache();
        cache.set("key123", "key123");

        cache = new Redis();
        cache.set("key123", "key123");

        cache = new Memcache();
        cache.set("key123", "key123");
    }
}

通過上面的例子, 可以看出Cache是父類, Redis 和 Memcache是子類, 他們繼承自Cache. 這是繼承和多態(tài)的思想. 而且這兩個(gè)子類目前為止也都符合里氏替換原則.可以替換父類出現(xiàn)的任何位置，并且原來代碼的邏輯行為不變且正確性也沒有被破壞。
看最后的CacheTest類, 我們使用父類的cache可以接收任何一種類型的緩存對象, 包括父類和子類.

但如果我們對Redis中的set方法做了長度校驗(yàn)

public class Redis extends Cache{
    @Override
    public void set(String key, String value) {
        if (key == null || key.length() < 10 || key.length() > 100) {
            System.out.println("key的長度不符合要求");
            throw new IllegalArgumentException(key的長度不符合要求);
        }
    }
}

public class CacheTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 父類對象都可以接收子類對象
        Cache cache = new Cache();
        cache.set("key123", "key123");

        cache = new Redis();
        cache.set("key123", "key123");
    }
}

如上情況, 如果我們使用父類對象時(shí)替換成子類對象, 那么就會拋出異常. 程序的邏輯行為就發(fā)生了變化，雖然改造之后的代碼仍然可以通過子類來替換父類 ，但是，從設(shè)計(jì)思路上來講，Redis子類的設(shè)計(jì)是不符合里氏替換原則的。

繼承和多態(tài)是面向?qū)ο笳Z言所提供的一種語法，是代碼實(shí)現(xiàn)的思路，而里式替換則是一種思想，一種設(shè)計(jì)原則，是用來指導(dǎo)繼承關(guān)系中子類該如何設(shè)計(jì)的，子類的設(shè)計(jì)要保證在替換父類的時(shí)候，不改變原有程序的邏輯以及不破壞原有程序的正確性。

四、里式替換的規(guī)則

里氏替換原則的核心就是“約定”，父類與子類的約定。里氏替換原則要求子類在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候要遵守父類的一些行為約定。這里的行為約定包括：函數(shù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，對輸入、輸出、異常的約定，甚至包括注釋中一些特殊說明等。

4.1、子類方法不能違背父類方法對輸入輸出異常的約定

1. 前置條件不能被加強(qiáng)

前置條件即輸入?yún)?shù)是不能被加強(qiáng)的，就像上面Cache的示例，Redis子類對輸入?yún)?shù)Key的要求進(jìn)行了加強(qiáng)，此時(shí)在調(diào)用處替換父類對象為子類對象就可能引發(fā)異常。

也就是說，子類對輸入的數(shù)據(jù)的校驗(yàn)比父類更加嚴(yán)格，那子類的設(shè)計(jì)就違背了里氏替換原則。

2. 后置條件不能被削弱

后置條件即輸出，假設(shè)我們的父類方法約定輸出參數(shù)要大于0，調(diào)用父類方法的程序根據(jù)約定對輸出參數(shù)進(jìn)行了大于0的驗(yàn)證。而子類在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候卻輸出了小于等于0的值。此時(shí)子類的涉及就違背了里氏替換原則

3. 不能違背對異常的約定

在父類中，某個(gè)函數(shù)約定，只會拋出 ArgumentNullException 異常， 那子類的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中只允許拋出 ArgumentNullException 異常，任何其他異常的拋出，都會導(dǎo)致子類違背里氏替換原則。

4.2、子類方法不能違背父類方法定義的功能

public class Product {
    private BigDecimal amount;
    private Calendar createTime;
 
    public BigDecimal getAmount() {
        return amount;
    }
    public void setAmount(BigDecimal amount) {
        this.amount = amount;
    }
 
    public Calendar getCreateTime() {
        return createTime;
    }
    public void setCreateTime(Calendar createTime) {
        this.createTime = createTime;
    }
}
 
public class ProductSort extends Sort<Product> {
 
    public void sortByAmount(List<Product> list) {
        //根據(jù)時(shí)間進(jìn)行排序
        list.sort((h1, h2)->h1.getCreateTime().compareTo(h2.getCreateTime()));
    }
}

父類中提供的 sortByAmount() 排序函數(shù)，是按照金額從小到大來進(jìn)行排序的，而子類重寫這個(gè) sortByAmount() 排序函數(shù)之后，卻是是按照創(chuàng)建日期來進(jìn)行排序的。那子類的設(shè)計(jì)就違背里氏替換原則。

實(shí)際上對于如何驗(yàn)證子類設(shè)計(jì)是否符合里氏替換原則其實(shí)有一個(gè)小技巧，那就是你可以使用父類的單測來運(yùn)行子類的代碼，如果不可以正常運(yùn)行，那么你就要考慮一下自己的設(shè)計(jì)是否合理了！

4.3、子類必須完全實(shí)現(xiàn)父類的抽象方法

如果你設(shè)計(jì)的子類不能完全實(shí)現(xiàn)父類的抽象方法那么你的設(shè)計(jì)就不滿足里氏替換原則。

// 定義抽象類槍
public abstract class AbstractGun{
    // 射擊
    public abstract void shoot();
    
    // sr
    public abstract void kill();
}

比如我們定義了一個(gè)抽象的槍類，可以射擊和sr。無論是步槍還是手槍都可以射擊和sr，我們可以定義子類來繼承父類

// 定義手槍，步槍，機(jī)槍
public class Handgun extends AbstractGun{   
    public void shoot(){  
         // 手槍射擊
    }
    
    public void kill(){    
        // 手槍sr
    }
}
public class Rifle extends AbstractGun{
    public void shoot(){
         // 步槍射擊
    }
    
    public void kill(){    
         // 步槍sr
    }
}

但是如果我們在這個(gè)繼承體系內(nèi)加入一個(gè)玩具槍，就會有問題了，因?yàn)橥婢邩屩荒苌鋼?，不能sr。但是很多人寫代碼經(jīng)常會這么寫。

public class ToyGun extends AbstractGun{
    public void shoot(){
        // 玩具槍射擊
    }
    
    public void kill(){ 
        // 因?yàn)橥婢邩尣荒躶r，就返回空，或者直接throw一個(gè)異常出去
        throw new Exception("我是個(gè)玩具槍，驚不驚喜，意不意外，刺不刺激？");
    }
}

這時(shí)，我們?nèi)绻咽褂酶割悓ο蟮牡胤教鎿Q為子類對象，顯然是會有問題的(士兵上戰(zhàn)場結(jié)果發(fā)現(xiàn)自己拿的是個(gè)玩具)。

而這種情況不僅僅不滿足里氏替換原則，也不滿足接口隔離原則，對于這種場景可以通過 ** 接口隔離+委托** 的方式來解決。

五、里氏替換原則的作用

1.里氏替換原則是實(shí)現(xiàn)開閉原則的重要方式之一。

2.它克服了繼承中重寫父類造成的可復(fù)用性變差的缺點(diǎn)。

3.它是動作正確性的保證。即類的擴(kuò)展不會給已有的系統(tǒng)引入新的錯(cuò)誤，降低了代碼出錯(cuò)的可能性。

4.加強(qiáng)程序的健壯性，同時(shí)變更時(shí)可以做到非常好的兼容性，提高程序的維護(hù)性、可擴(kuò)展性，降低需求變更時(shí)引入的風(fēng)險(xiǎn)。

盡量不要從可實(shí)例化的父類中繼承，而是要使用基于抽象類和接口的繼承。

六、里氏替換原則的實(shí)現(xiàn)方法

里氏替換原則通俗來講就是：子類可以擴(kuò)展父類的功能，但不能改變父類原有的功能。也就是說：子類繼承父類時(shí)，除添加新的方法完成新增功能外，盡量不要重寫父類的方法。

根據(jù)上述理解，對里氏替換原則的定義可以總結(jié)如下：

1.子類可以實(shí)現(xiàn)父類的抽象方法，但不能覆蓋父類的非抽象方法

2.子類中可以增加自己特有的方法

3.當(dāng)子類的方法重載父類的方法時(shí)，方法的前置條件（即方法的輸入?yún)?shù)）要比父類的方法更寬松

4.當(dāng)子類的方法實(shí)現(xiàn)父類的方法時(shí)（重寫/重載或?qū)崿F(xiàn)抽象方法），方法的后置條件（即方法的的輸出/返回值）要比父類的方法更嚴(yán)格或相等

通過重寫父類的方法來完成新的功能寫起來雖然簡單，但是整個(gè)繼承體系的可復(fù)用性會比較差，特別是運(yùn)用多態(tài)比較頻繁時(shí)，程序運(yùn)行出錯(cuò)的概率會非常大。

如果程序違背了里氏替換原則，則繼承類的對象在基類出現(xiàn)的地方會出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤。這時(shí)其修正方法是：取消原來的繼承關(guān)系，重新設(shè)計(jì)它們之間的關(guān)系。

關(guān)于里氏替換原則的例子，最有名的是“正方形不是長方形”。當(dāng)然，生活中也有很多類似的例子，例如，企鵝、鴕鳥和幾維鳥從生物學(xué)的角度來劃分，它們屬于鳥類；但從類的繼承關(guān)系來看，由于它們不能繼承“鳥”會飛的功能，所以它們不能定義成“鳥”的子類。同樣，由于“氣球魚”不會游泳，所以不能定義成“魚”的子類；“玩具炮”炸不了敵人，所以不能定義成“炮”的子類等。

七、案例分析

7.1、案例一: 兩數(shù)相減

當(dāng)使用繼承時(shí)，遵循里氏替換原則。類B繼承類A時(shí)，除添加新的方法完成新增功能P2外，盡量不要重寫父類A的方法，也盡量不要重載父類A的方法。

繼承包含這樣一層含義：父類中凡是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)好的方法（相對于抽象方法而言），實(shí)際上是在設(shè)定一系列的規(guī)范和契約，雖然它不強(qiáng)制要求所有的子類必須遵從這些契約，但是如果子類對這些非抽象方法任意修改，就會對整個(gè)繼承體系造成破壞。而里氏替換原則就是表達(dá)了這一層含義。

繼承作為面向?qū)ο笕筇匦灾?，在給程序設(shè)計(jì)帶來巨大便利的同時(shí)，也帶來了弊端。比如使用繼承會給程序帶來侵入性，程序的可移植性降低，增加了對象間的耦合性，如果一個(gè)類被其他的類所繼承，則當(dāng)這個(gè)類需要修改時(shí)，必須考慮到所有的子類，并且父類修改后，所有涉及到子類的功能都有可能會產(chǎn)生故障。

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));
	}
}

運(yùn)行結(jié)果：

100-50=50
100-80=20

后來，我們需要增加一個(gè)新的功能：完成兩數(shù)相加，然后再與100求和，由類B來負(fù)責(zé)。即類B需要完成兩個(gè)功能：

• 兩數(shù)相減。
• 兩數(shù)相加，然后再加100。

由于類A已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)功能，所以類B繼承類A后，只需要再完成第二個(gè)功能就可以了，代碼如下：

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));
	}
}

類B完成后，運(yùn)行結(jié)果：

100-50=150
100-80=180
100+20+100=220

我們發(fā)現(xiàn)原本運(yùn)行正常的相減功能發(fā)生了錯(cuò)誤。原因就是類B在給方法起名時(shí)無意中重寫了父類的方法，造成所有運(yùn)行相減功能的代碼全部調(diào)用了類B重寫后的方法，造成原本運(yùn)行正常的功能出現(xiàn)了錯(cuò)誤。在本例中，引用基類A完成的功能，換成子類B之后，發(fā)生了異常。在實(shí)際編程中，我們常常會通過重寫父類的方法來完成新的功能，這樣寫起來雖然簡單，但是整個(gè)繼承體系的可復(fù)用性會比較差，特別是運(yùn)用多態(tài)比較頻繁時(shí)，程序運(yùn)行出錯(cuò)的幾率非常大。如果非要重寫父類的方法，比較通用的做法是：原來的父類和子類都繼承一個(gè)更通俗的基類，原有的繼承關(guān)系去掉，采用依賴、聚合，組合等關(guān)系代替。

7.2、案例二: "幾維鳥不是鳥"

需求分析: 鳥通常都是會飛的, 比如燕子每小時(shí)120千米, 但是新西蘭的幾維鳥由于翅膀退化不會飛. 假如要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)例，計(jì)算這兩種鳥飛行 300 千米要花費(fèi)的時(shí)間。顯然，拿燕子來測試這段代碼，結(jié)果正確，能計(jì)算出所需要的時(shí)間；但拿幾維鳥來測試，結(jié)果會發(fā)生“除零異常”或是“無窮大”，明顯不符合預(yù)期，其類圖如圖 1 所示。

源碼如下:

/**
 * 鳥
 */
public class Bird {
    // 飛行的速度
    private double flySpeed;

    public void setFlySpeed(double flySpeed) {
        this.flySpeed = flySpeed;
    }

    public double getFlyTime(double distance) {
        return distance/flySpeed;
    }
}

/**
 * 燕子
 */
public class Swallow extends Bird{
}

/**
 * 幾維鳥
 */
public class Kiwi extends Bird {
    @Override
    public void setFlySpeed(double flySpeed) {
        flySpeed = 0;
    }
}

/**
  * 測試飛行耗費(fèi)時(shí)間
  */
public class BirdTest {
    public static void main(String[] args) {
        Bird bird1 = new Swallow();
        Bird bird2 = new Kiwi();
        bird1.setFlySpeed(120);
        bird2.setFlySpeed(120);
        System.out.println("如果飛行300公里：");
        try {
            System.out.println("燕子花費(fèi)" + bird1.getFlyTime(300) + "小時(shí).");
            System.out.println("幾維花費(fèi)" + bird2.getFlyTime(300) + "小時(shí)。");
        } catch (Exception err) {
            System.out.println("發(fā)生錯(cuò)誤了!");
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果:

如果飛行300公里：
燕子花費(fèi)2.5小時(shí).
幾維花費(fèi)Infinity小時(shí)。

程序運(yùn)行錯(cuò)誤的原因是：幾維鳥類重寫了鳥類的 setSpeed(double speed) 方法，這違背了里氏替換原則。正確的做法是：取消幾維鳥原來的繼承關(guān)系，定義鳥和幾維鳥的更一般的父類，如動物類，它們都有奔跑的能力。幾維鳥的飛行速度雖然為 0，但奔跑速度不為 0，可以計(jì)算出其奔跑 300 千米所要花費(fèi)的時(shí)間。其類圖如圖 2 所示。

源代碼實(shí)現(xiàn)如下

/**
 * 動物
 */
public class Animal {
    private double runSpeed;

    public double getRunTime(double distance) {
        return distance/runSpeed;
    }

    public void setRunSpeed(double runSpeed) {
        this.runSpeed = runSpeed;
    }
}


/**
 * 鳥
 */
public class Bird {
    // 飛行的速度
    private double flySpeed;

    public void setFlySpeed(double flySpeed) {
        this.flySpeed = flySpeed;
    }

    public double getFlyTime(double distance) {
        return distance/flySpeed;
    }
}

/**
 * 燕子
 */
public class Swallow extends Bird {
}

/**
 * 幾維鳥
 */
public class Kiwi extends Animal {
    @Override
    public void setRunSpeed(double runSpeed) {
        super.setRunSpeed(runSpeed);
    }
}

/**
  * 測試飛行耗費(fèi)時(shí)間
  */
public class BirdTest {
    public static void main(String[] args) {
        Bird bird1 = new Swallow();
        Animal bird2 = new Kiwi();
        bird1.setFlySpeed(120);
        bird2.setRunSpeed(110);
        System.out.println("如果飛行300公里：");
        try {
            System.out.println("燕子花費(fèi)" + bird1.getFlyTime(300) + "小時(shí).");
            System.out.println("幾維鳥花費(fèi)" + bird2.getRunTime(300) + "小時(shí)。");
        } catch (Exception err) {
            System.out.println("發(fā)生錯(cuò)誤了!");
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果

如果飛行300公里：
燕子花費(fèi)2.5小時(shí).
幾維鳥花費(fèi)2.727272727272727小時(shí)。

八、總結(jié)

面向?qū)ο蟮木幊趟枷胫刑峁┝死^承和多態(tài)是我們可以很好的實(shí)現(xiàn)代碼的復(fù)用性和可擴(kuò)展性，但繼承并非沒有缺點(diǎn)，因?yàn)槔^承的本身就是具有侵入性的，如果使用不當(dāng)就會大大增加代碼的耦合性，而降低代碼的靈活性，增加我們的維護(hù)成本，然而在實(shí)際使用過程中卻往往會出現(xiàn)濫用繼承的現(xiàn)象，而里氏替換原則可以很好的幫助我們在繼承關(guān)系中進(jìn)行父子類的設(shè)計(jì)。

以上就是解析Java實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式六大原則之里氏替換原則的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java 設(shè)計(jì)模式 里氏替換原則的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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