里氏替换原则

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1、问题的由来

　　我们都知道面向对象有三大特性：封装、继承、多态。所以我们在实际开发过程中，子类在继承父类后，根据多态的特性，可能是图一时方便，经常任意重写父类的方法，那么这种方式会大大增加代码出问题的几率。比如下面场景：类C实现了某项功能F1。现在需要对功能F1作修改扩展，将功能F1扩展为F，其中F由原有的功能F1和新功能F2组成。新功能F由类C的子类C1来完成，则子类C1在完成功能F的同时，有可能会导致类C的原功能F1发生故障。这时候里氏替换原则就闪亮登场了。

2、什么是里氏替换原则

　　前面说过的单一职责原则，从字面意思就很好理解，但是里氏替换原则就有点让人摸不着头脑。查过资料后发现原来这项原则最早是在1988年，由麻省理工学院一位姓里的女士（Liskov）提出来的。

　　英文缩写：LSP (Liskov Substitution Principle)。

　　严格的定义：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都换成o2时，程序P的行为没有变化，那么类型T2是类型T1的子类型。

　　通俗的定义：所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。

　　更通俗的定义：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。

代码示例:

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//抽象父类电脑
public abstract class Computer {
    public abstract void use();
}
 
class IBM extends Computer{
    @Override
    public void use() {
        System.out.println("use IBM Computer.");
    }
}
 
class HP extends Computer{
    @Override
    public void use() {
        System.out.println("use HP Computer.");
    }
}
 
public class Client{
    public static void main(String[] args) {
        Computer ibm = new IBM();
        Computer hp = new HP();//引用基类的地方能透明地使用其子类的对象。
         
        ibm.use();
        hp.use();
    }
}

3、四层含义

　　里氏替换原则包含以下4层含义：

  • 子类可以实现父类的抽象方法，但是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。
  • 当子类覆盖或实现父类的方法时，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。

　　现在我们可以对以上四层含义逐个讲解。

　　子类可以实现父类的抽象方法，但是不能覆盖父类的非抽象方法

　　在我们做系统设计时，经常会设计接口或抽象类，然后由子类来实现抽象方法，这里使用的其实就是里氏替换原则。子类可以实现父类的抽象方法很好理解，事实上，子类也必须完全实现父类的抽象方法，哪怕写一个空方法，否则会编译报错。

　　里氏替换原则的关键点在于不能覆盖父类的非抽象方法。父类中凡是已经实现好的方法，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规范，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。

　　在面向对象的设计思想中，继承这一特性为系统的设计带来了极大的便利性，但是由之而来的也潜在着一些风险。就像开篇所提到的那一场景一样，对于那种情况最好遵循里氏替换原则，类C1继承类C时，可以添加新方法完成新增功能，尽量不要重写父类C的方法。否则可能带来难以预料的风险，比如下面一个简单的例子还原开篇的场景：

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public class C {
    public int func(int a, int b){
        return a+b;
    }
}
 
public class C1 extends C{
    @Override
    public int func(int a, int b) {
        return a-b;
    }
}
 
public class Client{
    public static void main(String[] args) {
        C c = new C1();
        System.out.println("2+1=" + c.func(2, 1));
    }
}

运行结果：

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2+1=1

　　上面的运行结果明显是错误的。类C1继承C，后来需要增加新功能，类C1并没有新写一个方法，而是直接重写了父类C的func方法，违背里氏替换原则，引用父类的地方并不能透明的使用子类的对象，导致运行结果出错。

　　子类中可以增加自己特有的方法

　　在继承父类属性和方法的同时，每个子类也都可以有自己的个性，在父类的基础上扩展自己的功能。前面其实已经提到，当功能扩展时，子类尽量不要重写父类的方法，而是另写一个方法，所以对上面的代码加以更改，使其符合里氏替换原则，代码如下：

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public class C {
    public int func(int a, int b){
        return a+b;
    }
}
 
public class C1 extends C{
    public int func2(int a, int b) {
        return a-b;
    }
}
 
public class Client{
    public static void main(String[] args) {
        C1 c = new C1();
        System.out.println("2-1=" + c.func2(2, 1));
    }
}

运行结果：

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2-1=1

　　当子类覆盖或实现父类的方法时，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

代码示例:

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import java.util.HashMap;
public class Father {
    public void func(HashMap m){
        System.out.println("执行父类...");
    }
}
 
import java.util.Map;
public class Son extends Father{
    public void func(Map m){//方法的形参比父类的更宽松
        System.out.println("执行子类...");
    }
}
 
import java.util.HashMap;
public class Client{
    public static void main(String[] args) {
        Father f = new Son();//引用基类的地方能透明地使用其子类的对象。
        HashMap h = new HashMap();
        f.func(h);
    }
}

运行结果：

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执行父类...

　　注意Son类的func方法前面是不能加@Override注解的，因为否则会编译提示报错，因为这并不是重写（Override），而是重载（Overload），因为方法的输入参数不同。重写和重载的区别在Java面向对象详解一文中已作解释，此处不再赘述。

　　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

代码示例：

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import java.util.Map;
public abstract class Father {
    public abstract Map func();
}
 
import java.util.HashMap;
public class Son extends Father{
     
    @Override
    public HashMap func(){//方法的返回值比父类的更严格
        HashMap h = new HashMap();
        h.put("h", "执行子类...");
        return h;
    }
}
 
public class Client{
    public static void main(String[] args) {
        Father f = new Son();//引用基类的地方能透明地使用其子类的对象。
        System.out.println(f.func());
    }
}

执行结果：

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{h=执行子类...}

4、总结

　　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，也带来了一些弊端，它增加了对象之间的耦合性。因此在系统设计时，遵循里氏替换原则，尽量避免子类重写父类的方法，可以有效降低代码出错的可能性。

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