里氏替换原则

里氏替换原则(Liskov Substitution Principle ,LSP):

指的是任何基类可以出现的地方,子类一定可以出现。

定义1

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都替换成o2时,程序p的行为没有发生变化,那么类型T2是类型T1的子类型。

定义2

所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类对象。

问题由来

有一功能P1,由类A完成。现需要将功能P1进行扩展,扩展后的功能为P,其中P由原功能P1与新功能P2组成。新功能P由类A的子类B来完成,则子类B在完成新功能P2的同时,有可能会导致原有功能P1发生故障。

解决方案

当使用继承时,遵循里氏替换原则。类B继承类A时,除添加新的方法完成新增功能P2外,尽量不要重写父类A的方法,也尽量不要重载父类A的方法。

里氏替换原则包含了四层含义

1.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。

实践,以枪为例,看一下类图

枪支类图

枪支的抽象类:

public abstract class AbstractGun {
    public abstract  void shoot();
}

手枪,步枪实现类:

public class HandGun extends AbstractGun {
    public void shoot() {
       System.out.println("手机射击");     
   }
}
public class Rifle extends AbstractGun {
    public void shoot() {
       System.out.println("步枪射击");     
   }
}

士兵实现类:

public class Soldier {
  private AbstractGun gun;
  public void setGun(AbstractGun gun) {
    this.gun = gun;
  }
  public void killEnemy() {
    System.out.println("士兵杀敌人");
    gun.shoot();
  }
}

场景类:

  public class Client {
    public static void main(String[] args) {
      Soldier sanMao = new Soldier();
      sanMao.setGun(new Rifle());
      sanMao.killEnemy();
  }
}

注意

在类中调用其他类时务必要使用父类或者接口(例如Solider类的setGun(AbstractGun gun)方法),否则说明类的设计已经违背了LSP原则。

现在有个玩具枪该怎么定义?直接继承AbstractGun类吗?如下:

public class ToyGun extends AbstractGun {
  @Override
  public void shoot() {
    //玩具枪不能像真枪杀敌,不实现
  }
}

现在的场景类:

  public class Client {
    public static void main(String[] args) {
      Soldier sanMao = new Soldier();
      sanMao.setGun(new ToyGun());
      sanMao.killEnemy();
  }
}

在这种情况下,士兵拿着玩具枪杀敌,发现业务调用类已经出现了问题,正常的业务逻辑运行结果是不正确的。(因为玩具枪并不能杀敌)ToyGun应该脱离继承,建立一个独立的类,可以与AbstractGun建立关联委托关系。类图如下:

玩具枪与真实枪分离

按照继承的原则,ToyGun继承AbstractGun是没有问题的,但是在具体应用场景中就需考虑:子类是否能够完整地实现父类的业务,否则就会出现上面的情况拿玩具枪杀敌。

注意

如果子类不能完整地实现父类的方法,或者父类的某些方法在子类中发生重写或者重载,则建议断开父子继承关系,采用依赖、聚集、组合等关系代替继承。

2 子类中可以增加自己特性

子类当然可有自己的方法和属性。里氏替换原则可以正着用,但是不能反着用,在子类出现的地方,父类未必可以胜任。

再说下面两层含义之前先要明白 重载 重写(覆盖) 的区别:

重写(覆盖)的规则:
1、重写方法的参数列表必须完全与被重写的方法的相同,否则不能称其为重写而是重载.
2、重写方法的访问修饰符一定要大于被重写方法的访问修饰符(public>protected>default>private)。
3、重写的方法的返回值必须和被重写的方法的返回一致;
4、重写的方法所抛出的异常必须和被重写方法的所抛出的异常一致,或者是其子类;
5、被重写的方法不能为private,否则在其子类中只是新定义了一个方法,并没有对其进行重写。
6、静态方法不能被重写为非静态的方法(会编译出错)。

重载的规则:
1、在使用重载时只能通过相同的方法名、不同的参数形式实现。不同的参数类型可以是不同的参数类型,不同的参数个数,不同的参数顺序(参数类型必须不一样);
2、不能通过访问权限、返回类型、抛出的异常进行重载;
3、方法的异常类型和数目不会对重载造成影响;

3 类的方法重载父类的方法时,方法的前置条件(形参)要比父类方法的输入参数更宽松.

实例:

public class Father {
    public Collection doSomething(HashMap  map){
        System.out.println("父类被执行了");
        return map.values();
    }
}
public class Son  extends Father{
    public Collection doSomething(Map  map){
        System.out.println("子类被执行了");
        return map.values();
    }
}
public class Client{
    public static void main(String[] args) {
        invoker();
    }

    public  static void invoker(){
           Son son = new  Son();//子类对象
           HashMap  map=new HashMap<>();
           son.doSomething(map);
    }
}

运行是”父类被执行了”,这是正确的,父类方法的参数是HashMap类型,而子类的方法参数是Map类型,子类的参数类型范围比父类大,那么子类的方法永远也不会执行。
如果我们反过来让父类的参数类型范围大于子类,并在调用时用子类去调用,我们会发现打印时的结果是”子类被执行了”,这就违反了里氏替换原则,在开发中很容易引起业务逻辑的混乱,所以类的方法重载父类的方法时,方法的前置条件(形参)要比父类方法的输入参数更宽松(相同也可以)。

4 覆写或者实现父类的方法时输出结果(返回值)可以被缩小

父类的一个方法的返回值是一个类型T,子类的相同方法(重载或者重写)的返回值为S,那么里氏替换原则就要求S必须小于等于T。

总结

有子类出现的地方父类未必就可以出现
父类出现的地方子类就可以出现

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