初探里氏替换

design pattern
LSP

1. 内容

『Liskov Substitution Principle』概念来自 1994 年论文 A Behavioral Notion Of Subtyping：

If S is a declared subtype of T, objects of type S should behave as objects of type T are expected to behave, if they are treated as objects of type T.
如果 S 是 T 的子类型，对于 S 类型的任意对象，如果将他们看作是 T 类型的对象，则对象的行为也理应与期望的行为一致。

子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。或者说，接口的实现必须满足『调用者对接口的所有期望』而不是仅仅是『满足接口的签名』。

2. 作用

主要作用如下：

  1. LSP 是实现『开闭原则』的重要方式之一。
  2. LSP 克服了继承中重写父类造成的可复用性变差的缺点。
  3. LSP 是动作正确性的保证，类的扩展不会给已有的系统引入新的错误，降低了代码出错的可能性。
  4. LSP 加强程序的健壮性，同时变更时可以做到非常好的兼容性，提高程序的维护性、可扩展性，降低需求变更时引入的风险。

3. 要点

3.1 什么是替换？

假设有一个方法可以获取列表的第一个值，方法签名：

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String getFirst(List<String> list);

从上面的签名中可以知道它做的事情是从 String 列表中获取了第一个值，并且这个返回值是一个 String 对象。我们在实现时需要根据入参的不同做不同的处理。

3.2 多态是否违背 LSP？

不违背。LSP 有两种含义：

  1. 继承是为了代码复用。此时子类与复用公用同一实现，满足『子类对象能够替换父类对象，而程序逻辑不变』。
  2. 继承是为了多态。多态的前提是子类覆盖并重定义父类的方法，此时父类应该是接口类或抽象类，所以不存在父类实例化的情况。

4. 场景

4.1 例一

假设当前实现一个自定义 List:

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class CustomList<T> extends ArrayList<T> {
    @Override
    public T get(int index) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

同时 List 的 get 如下定义:

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/**
* Returns the element at the specified position in this list.
*
* @param index index of the element to return
* @return the element at the specified position in this list
* @throws IndexOutOfBoundsException if the index is out of range
*         (<tt>index &lt; 0 || index &gt;= size()</tt>)
*/
E get(int index);

由于 get 只声明了会抛出 IndexOutOfBoundsException 异常，因此这个自定义的 List 不满足 LSP。

4.2 例二

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class CustomList<T> extends ArrayList<T> {
    @Override
    public T get(int index) {
        if (index >= size()){
            return null;
        }
        return get(index);
    }
}

这个例子中，如果列表查出范围返回了 null，而不是描述的异常，因此也不满足 LSP。

4.3 例三

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：

几维鸟类重写了鸟类的 setSpeed(double speed) 方法，这违背了 LSP，更好的做法是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：

5. 最佳实践

  1. 基于行为设计。比如正方形和长方形计算面积，正方形也是一种长方形，但是面积的计算方式不一致。
  2. 基于接口设计。这个接口包括接口签名、功能描述、参数类型、返回值、异常，在派生时要时刻保持与接口一致。
  3. 子类实现抽象方法，但是尽量不要覆盖父类的非抽象方法。
  4. 如果需要覆盖父类的非抽象方法，入参需要比父类宽松，出参要比父类严格。

6. 系统优化

讨论。