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2.2 里氏替换原则

里氏替换原则的英文名称是：Liskov Substitution Principle，简称LSP。

2.2.1 里氏替换原则的定义

在面向对象的语言中，继承是必不可少的、优秀的语言机制，它主要有以下几个优点：

■ 代码共享，减少创建类的工作量，每个子类都拥有父类的方法和属性；

■ 提高代码的可重用性；

■ 提高代码的可扩展性；

■ 提高产品或项目的开放性。

相应的，继承也存在缺点，主要体现在以下几个方面：

■ 继承是入侵式的。只要继承，就必须拥有父类的所有属性和方法；

■ 降低代码的灵活性。子类必须拥有父类的属性和方法，使子类受到限制；

■ 增强了耦合性。当父类的常量、变量和方法修改时，必须考虑子类的修改，这种修改可能造成大片的代码需要重构。

从整体上看，继承的“利”大于“弊”，然而如何让继承中“利”的因素发挥最大作用，同时减少“弊”所带来的麻烦，这就需要引入“里氏替换原则”。

里氏替换原则的定义有以下两种。

第一种定义：

If for each object o1 of type S there is an object o2 of type T such that for all programs P defined in terms of S,the behavior of P is unchanged when o1 is substituted for o2 then T is a subtype of S.

这个定义是最正宗的定义，意思是：如果对一个类型为S的对象o1，都有类型为T的对象o2，使得以S定义的所有程序P在所有的对象o1都代换成o2时，程序P的行为没有发生变化，那么类型T是类型S的子类型。

第二种定义：

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

第二个定义意思是：所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类对象。清晰明确地说明只要父类能出现的地方子类就可以出现，而且替换为子类也不会产生任何错误或异常，使用者可能根本就不需要知道父类还是子类；但是反过来则不可以，有子类的地方，父类未必就能适应。

2.2.2 里氏替换原则的应用

在编译期，Java语言编译器会检查一个程序是否符合里氏替换原则，这是一个无关实现的、纯语法意义上的检查。里氏替换要求凡是使用基类的地方，子类一定适用，因此子类必须具备基类的全部接口。或者说，子类型的接口必须包括全部的基类的接口，而且还有可能更宽。如果一个Java程序破坏这一条件，Java编译器就会在编译程序时抛出错误提示，并停止编译。例如，一个基类Base声明了一个public方法method()，其子类Sub就不能将该方法的访问权限从public改换成为private或protected。即子类不能使用一个低访问权限的方法覆盖基类中的高访问权限的方法。

如图2-3所示违反了里氏替换原则，Java编译器根本不会让这样的程序编译通过。

图2-3 违反里氏替换原则的类图

里氏替换原则为良好的继承定义了一个规范，它包含4层含义：

■ 子类必须完全实现父类的方法；

■ 子类可以有自己的个性；

■ 覆盖或实现父类的方法时输入参数可以被放大；

■ 覆盖或实现父类的方法时输出结果可以被缩小。

下述内容用于实现任务描述 2.D.2，演示里氏替换原则。如图 2-4 所示，Animal 是一个表示动物的抽象类，只要是动物就都能动，因此提供一个抽象的move()方法；Horse和Bird都是Animal的子类。

图2-4 继承类图

Animal抽象类的源代码如下所示。

【描述2.D.2】 Animal.java

    //抽象类
    public abstract class Animal {
    //抽象方法
        public abstract void move();
    }

Horse子类的源代码如下所示。

【描述2.D.2】 Horse.java

    public class Horse extends Animal {
        public void move() {
            System.out.println("马儿跑");
        }
    }

Bird子类的源代码如下所示。

【描述2.D.2】 Bird.java

    public class Bird extends Animal {
        public void move() {
            System.out.println("鸟儿飞");
        }
    }

下面编写一个测试类，其源代码如下所示。

    public class TestLSP {
        public static void main(String args[]) {
            // 声明一个基类对象
            Animal animal;
            // 使用基类对象指向子类
            animal = new Horse();
            animal.move();
            animal = new Bird();
            animal.move();
            // Horse h = new Animal(); 错误
        }
    }

上述代码中，使用基类对象指向子类是允许的，但反过来，使用子类对象指向父类则违反里氏替换原则，会出现错误。

注意 按照里氏替换原则，当多个类之间存在继承关系时，通常应该使用父类或接口来指向子类的对象（除非需要使用子类特有的方法），这更利于提高系统的可扩展性。

在设计模式中体现里氏替换原则的有如下几个模式：

■ 策略模式

■ 组合模式

■ 代理模式

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