设计模式之美学习(十五)

本文最后更新于:6 个月前

如何理解“里式替换原则”?

里式替换原则的英文翻译是:Liskov Substitution Principle,缩写为 LSP。这个原则最早是在 1986 年由 Barbara Liskov 提出,他是这么描述这条原则的:

If S is a subtype of T, then objects of type T may be replaced with objects of type S, without breaking the program。

1996 年,Robert Martin 在他的 SOLID 原则中,重新描述了这个原则,英文原话是这样的:

Functions that use pointers of references to base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it。

综合两者的描述,将这条原则用中文描述出来,是这样的:子类对象(object of subtype/derived class)能够替换程序(program)中父类对象(object of base/parent class)出现的任何地方,并且保证原来程序的逻辑行为(behavior)不变及正确性不被破坏。

虽然从定义描述和代码实现上来看,多态和里式替换有点类似,但它们关注的角度是不一样的。多态是面向对象编程的一大特性,也是面向对象编程语言的一种语法。它是一种代码实现的思路。而里式替换是一种设计原则,是用来指导继承关系中子类该如何设计的,子类的设计要保证在替换父类的时候,不改变原有程序的逻辑以及不破坏原有程序的正确性。

哪些代码明显违背了 LSP?

里式替换原则还有另外一个更加能落地、更有指导意义的描述,那就是“Design By Contract”,中文翻译就是“按照协议来设计”。

子类在设计的时候,要遵守父类的行为约定(或者叫协议)。父类定义了函数的行为约定,那子类可以改变函数的内部实现逻辑,但不能改变函数原有的行为约定。这里的行为约定包括:函数声明要实现的功能;对输入、输出、异常的约定;甚至包括注释中所罗列的任何特殊说明。实际上,定义中父类和子类之间的关系,也可以替换成接口和实现类之间的关系。

为了更好地理解这句话,举几个违反里式替换原则的例子来解释一下。

1. 子类违背父类声明要实现的功能

父类中提供的 sortOrdersByAmount() 订单排序函数,是按照金额从小到大来给订单排序的,而子类重写这个 sortOrdersByAmount() 订单排序函数之后,是按照创建日期来给订单排序的。那子类的设计就违背里式替换原则。

2. 子类违背父类对输入、输出、异常的约定

在父类中,某个函数约定:运行出错的时候返回 null;获取数据为空的时候返回空集合(empty collection)。而子类重载函数之后,实现变了,运行出错返回异常(exception),获取不到数据返回 null。那子类的设计就违背里式替换原则。

在父类中,某个函数约定,输入数据可以是任意整数,但子类实现的时候,只允许输入数据是正整数,负数就抛出,也就是说,子类对输入的数据的校验比父类更加严格,那子类的设计就违背了里式替换原则。

在父类中,某个函数约定,只会抛出 ArgumentNullException 异常,那子类的设计实现中只允许抛出 ArgumentNullException 异常,任何其他异常的抛出,都会导致子类违背里式替换原则。

3. 子类违背父类注释中所罗列的任何特殊说明

父类中定义的 withdraw() 提现函数的注释是这么写的:“用户的提现金额不得超过账户余额……”,而子类重写 withdraw() 函数之后,针对 VIP 账号实现了透支提现的功能,也就是提现金额可以大于账户余额,那这个子类的设计也是不符合里式替换原则的。

以上便是三种典型的违背里式替换原则的情况。除此之外,判断子类的设计实现是否违背里式替换原则,还有一个小窍门,那就是拿父类的单元测试去验证子类的代码。如果某些单元测试运行失败,就有可能说明,子类的设计实现没有完全地遵守父类的约定,子类有可能违背了里式替换原则。

重点回顾

里式替换原则是用来指导继承关系中子类该如何设计的一个原则。理解里式替换原则,最核心的就是理解“design by contract,按照协议来设计”这几个字。父类定义了函数的“约定”(或者叫协议),那子类可以改变函数的内部实现逻辑,但不能改变函数原有的“约定”。这里的约定包括:函数声明要实现的功能;对输入、输出、异常的约定;甚至包括注释中所罗列的任何特殊说明。

理解这个原则,我们还要弄明白里式替换原则跟多态的区别。虽然从定义描述和代码实现上来看,多态和里式替换有点类似,但它们关注的角度是不一样的。多态是面向对象编程的一大特性,也是面向对象编程语言的一种语法。它是一种代码实现的思路。而里式替换是一种设计原则,用来指导继承关系中子类该如何设计,子类的设计要保证在替换父类的时候,不改变原有程序的逻辑及不破坏原有程序的正确性。

参考:理论三:里式替换(LSP)跟多态有何区别?哪些代码违背了LSP?