04.里式替换原则介绍

目录介绍

• 01.问题思考的分析

• 02.里式替换原则描述

• 03.如何理解里式替换原则

• 04.电商案例演变过程

• 05.鸟类飞行演变过程

• 06.里氏替换优缺点

• 07.里式替换原则总结

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里式替换原则（LSP）是面向对象设计的重要原则之一，确保子类可以无缝替换父类而不破坏程序功能。本文详细介绍了 LSP 的定义、背景、理解方法及应用场景，通过电商支付和鸟类飞行案例展示了如何遵循 LSP，并分析了其优缺点。

LSP 强调子类应保持父类的行为一致性，有助于提高代码的可扩展性、可维护性和可重用性，但也可能导致过度设计。最后，对比了 LSP 与多态的区别，明确了 LSP 作为设计原则的重要性。

01.问题思考的分析

什么是里氏替换的原则，如何理解这一原则？

有那些场景满足里氏替换原则？它跟多态有何区别？

在面向对象编程中，继承是一种重要的机制，它允许我们创建一个类（子类）来继承另一个类（父类）的属性和行为。子类通过继承父类，可以重用父类的代码，并且可以添加或修改一些特定的行为。

然而，当使用继承时，必须确保子类可以无缝地替换父类，而不会破坏原有的程序功能。这就是里式替换原则的背景。

02.里式替换原则描述

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。

在 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。

03.如何理解里式替换原则

里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）是设计模式六大原则之一：

1. 子类必须能够替换父类： 子类对象可以替换父类对象，程序的行为不会发生变化。

2. 保证行为一致性： 子类在扩展父类功能的同时，不能改变父类原有的行为。

通俗地说，如果我们在程序中使用的是一个基类对象，那么在不修改程序的前提下，用它的子类对象替换这个基类对象，程序应该仍然可以正常运行。

04.一个错误案例演变

4.1 有缺陷的代码

假设我们在电商系统中设计了一个支付类 Payment，有一个子类 CreditCardPayment 用于处理信用卡支付：

class Payment {    public void pay(double amount) {        // 支付逻辑    }}
class CreditCardPayment extends Payment {    @Override    public void pay(double amount) {        if (amount > 1000) {            throw new IllegalArgumentException("信用卡支付金额不能超过1000元");        }        // 信用卡支付逻辑    }}

此时，如果我们在系统中使用 Payment 基类对象进行支付：

Payment payment = new CreditCardPayment();payment.pay(1200);

由于 CreditCardPayment 类中的逻辑限制，当支付金额超过 1000 元时会抛出异常。这导致了父类 Payment 的行为在子类 CreditCardPayment 中发生了变化，违反了里氏替换原则。

4.2 遵守里氏替换原则

为了遵循里氏替换原则，我们应该确保子类在扩展父类功能时，保持父类的行为一致性。可以通过在父类中添加必要的约束来确保子类行为的一致性：

class Payment {    public void pay(double amount) {        if (amount <= 0) {            throw new IllegalArgumentException("支付金额必须大于0");        }        // 通用支付逻辑    }}
class CreditCardPayment extends Payment {    @Override    public void pay(double amount) {        super.pay(amount);        // 信用卡支付逻辑    }}

在这个设计中，CreditCardPayment 类继承了父类 Payment 的行为，并且在支付逻辑之前调用了 super.pay(amount)，确保所有支付金额都符合父类的约束。

这样，无论是使用基类对象还是子类对象，程序的行为都保持一致，遵循了里氏替换原则。

05.鸟类飞行演变过程

5.1 未遵守里氏替换原则

例如：鸟一般都会飞行，如燕子的飞行速度大概是每小时 120 千米。但是新西兰的几维鸟由于翅膀退化无法飞行。

假如要设计一个实例，计算这两种鸟飞行 300 千米要花费的时间。显然，拿燕子来测试这段代码，结果正确，能计算出所需要的时间；但拿几维鸟来测试，结果会发生“除零异常”或是“无穷大”，明显不符合预期。

未遵守里氏替换原则：

public class LSPtest {    public static void main(String[] args) {        Bird bird1 = new Swallow();        Bird bird2 = new BrownKiwi();        bird1.setSpeed(120);        bird2.setSpeed(120);        System.out.println("如果飞行300公里：");        try {            System.out.println("燕子将飞行" + bird1.getFlyTime(300) + "小时.");            System.out.println("几维鸟将飞行" + bird2.getFlyTime(300) + "小时。");        } catch (Exception err) {            System.out.println("发生错误了!");        }    }} //鸟类class Bird {    double flySpeed;     public void setSpeed(double speed) {        flySpeed = speed;    }     public double getFlyTime(double distance) {        return (distance / flySpeed);    }} //燕子类class Swallow extends Bird {
} //几维鸟类class BrownKiwi extends Bird {    public void setSpeed(double speed) {        flySpeed = 0;    }}

这个设计存在的问题：

几维鸟类重写了鸟类的 setSpeed(double speed) 方法，这违背了里氏替换原则。

燕子和几维鸟都是鸟类，但是父类抽取的共性有问题，几维鸟的的飞行不是正常鸟类的功能，需要特殊处理，应该抽取更加共性的功能。

5.2 遵守里氏替换原则

取消几维鸟原来的继承关系，定义鸟和几维鸟的更一般的父类，如动物类，它们都有奔跑的能力。几维鸟的飞行速度虽然为 0，但奔跑速度不为 0，可以计算出其奔跑 300 千米所要花费的时间。

public class Lsptest2 {    public static void main(String[] args) {        Animal animal1 = new Bird();        Animal animal2 = new BrownKiwi();        animal1.setRunSpeed(120);        animal2.setRunSpeed(180);        System.out.println("如果奔跑300公里：");        try {            System.out.println("鸟类将奔跑" + animal1.getRunSpeed(300) + "小时.");            System.out.println("几维鸟将奔跑" + animal2.getRunSpeed(300) + "小时。");            Bird bird = new Swallow();            bird.setFlySpeed(150);            System.out.println("如果飞行300公里：");            System.out.println("燕子将飞行" + bird.getFlyTime(300) + "小时.");        } catch (Exception err) {            System.out.println("发生错误了!");        }    }}
/** * 动物类，抽象的功能更加具有共性 */class  Animal{    Double runSpeed;
    public void setRunSpeed(double runSpeed) {        this.runSpeed = runSpeed;    }
    public double getRunSpeed(double distince) {        return distince/runSpeed;    }}
/** * 鸟类继承动物类 */class Bird extends Animal{    double flySpeed;
    public void setFlySpeed(double flySpeed) {        this.flySpeed = flySpeed;    }

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

/** * 几维鸟继承动物类 */class  BrownKiwi extends  Animal{
}
/** * 燕子继承鸟类  飞行属于燕子的特性， */class Swallow extends  Bird{
}

06.里氏替换优缺点

子类应该能够替代父类并且表现出相同的行为，而不需要修改原有的程序逻辑。这样可以确保代码的可扩展性、可维护性和可重用性。

遵循里式替换原则的好处包括：

1. 代码的可扩展性：可以通过添加新的子类来扩展系统的功能，而不需要修改现有的代码。

2. 代码的可维护性：当需要修改系统的行为时，只需要修改子类的代码，而不需要修改其他相关的代码。

3. 代码的可重用性：可以通过使用父类的对象来处理子类的对象，从而提高代码的重用性。

它也有一些潜在的缺点和限制，包括：

1. 过度设计：过度遵循 LSP 可能导致过度设计。为了确保子类能够无缝替换父类，可能需要在子类中添加许多条件和限制，这可能会增加代码的复杂性和维护成本。

2. 难以满足所有情况：在某些情况下，很难设计出满足 LSP 的完美继承关系。特定的业务需求和复杂性可能导致无法完全满足 LSP 的要求，需要在设计中做出权衡和妥协。

3. 可能引入不必要的复杂性：为了满足 LSP，可能需要引入额外的抽象层次和接口，这可能增加代码的复杂性和理解难度。

07.里式替换原则总结

7.1 一些总结和分析

里氏替换原则与开闭原则的关系

里氏替换原则与开闭原则密切相关。开闭原则强调对扩展开放、对修改关闭，而里氏替换原则则确保子类能够正确地替换父类，使得扩展在不修改现有代码的情况下进行。

在电商交易系统中，遵循里氏替换原则可以确保我们在扩展支付方式、引入新的支付逻辑时，不会破坏已有系统的稳定性。例如，我们可以添加新的支付方式，而不影响原有的支付逻辑。

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。

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。

1. 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。多态是指，子类可以替换父类，在实际的代码运行过程中，调用子类的方法实现。

2. 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。

7.2 里式替换原则总结

1. 里式替换问题思考：什么是里氏替换的原则？有那些场景满足里氏替换原则？它跟多态有何区别？

2. 如何理解里式替换原则：子类可以替换父类，并且保证原有的逻辑不变以及正确性不被破坏。

3. 列举一个里氏替换的场景：比如支付宝，微信支付。将通用支付校验逻辑放到父类中，支付子类继承父类进行支付，支付金额都符合父类的约束。

4. 里式替换原则的背景：面向对象中继承是一种机制，子类可以继承父类属性和行为。当使用继承时，子类不会破坏父类原有程序功能，这就是里氏替换的背景。

5. 实现里式替换原则的方式：应该确保子类在扩展父类功能时，保持父类的行为一致性。简单说就是父类抽取通用的逻辑。

6. 里式替换原则的案例教学：通用支付类中，有对金额进行校验，微信和支付宝支付子类通过继承父类，分别拓展自己的业务逻辑，且金额校验逻辑受到父类的约束。

7. 里式替换原则的优点：子类替代父类行为，且不需要修改原有逻辑。可以确保代码可拓展，可维护，可重用等优点。

8. 里式替换原则的缺点：存在过度设计，需要引入额外的抽象层次可能增加代码复杂性，等等。

9. 总结如何理解里式替换原则：1.有继承关系；2.子类遵循父类约定；3.子类拓展行为不破坏父类行为。

10. 里式替换原则跟多态的区别：多态是面向对象特性，是一个语法，子类可以替换父类实现。里氏替换是设计原则，是指子类设计要保证替换父类时，不改变原有逻辑和正确性！

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