设计模式原则之里氏替换原则

里氏替换原则【Liskov Substitution Principle】
??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 都代换成 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。（If for each object ol of type S there is an object o2 of type T such that for all programs P defined in terms of T，the behavior of P is unchanged when ol is substituted for o2 then S is a subtype of T.）

??定义2：所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。（functions that use pointers or references to base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it.）

??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由原有功能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。

??里氏替换原则通俗的来讲就是：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。它包含以下4层含义：

子类可以实现父类的抽象方法，但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。
当子类的方法重载父类的方法时，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。
子类不能覆盖父类的非抽象方法

??继承包含这样一层含义：父类中凡是已经实现好的方法（相对于抽象方法而言），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契约，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。

??举例说明继承的风险，一个两数相减的功能，由类Father来负责

public class Test {

public static void main (String[] args){
   Father f = new Father();
   System.out.println("100-50="+f.func1(100, 50));
   System.out.println("100-80="+f.func1(100, 80));
}
}

class Father{
public int func1(int a, int b){
return a-b;
}
}

输出

100-50=50
100-80=20

??后来，我们需要增加一个新的功能：完成两数相加，然后再与100求和，由类Son来负责。即类B需要完成两个功能：

两数相减。
两数相加，然后再加100。
??由于类Father已经实现了第一个功能，所以类Son继承类Father后，只需要再完成第二个功能就可以了，代码如下：

public class Test {

public static void main (String[] args){
  Son s = new Son();
  System.out.println("100-50="+s.func1(100, 50));
  System.out.println("100-80="+s.func1(100, 80));
  System.out.println("100+20+100="+s.func2(100, 20));
}
}

class Father{
  public int func1(int a, int b){
  return a-b;
}
}

class Son extends Father{
  public int func1(int a, int b){
  return a+b;
}

public int func2(int a, int b){
  return func1(a,b)+100;
}
}

输出

100-50=150
100-80=180
100+20+100=220

??我们发现原本运行正常的相减功能发生了错误。原因就是类Son 在给方法起名时无意中重写了父类的方法，造成所有运行相减功能的代码全部调用了类Son 重写后的方法，造成原本运行正常的功能出现了错误。在本例中，引用基类Father完成的功能，换成子类Son 之后，发生了异常。在实际编程中，我们常常会通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的几率非常大。如果非要重写父类的方法，比较通用的做法是：原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类，原有的继承关系去掉，采用依赖、聚合，组合等关系代替。

当子类的方法重载父类的方法时，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

??覆盖或实现父类的方法时输入参数可以被放大。方法中的输入参数叫做前置条件，这是什么意思呢？里氏替换法则也要求制定了一个契约，就是父类或接口，这种设计方法也叫做Design by Contract，契约优先设计，是和里氏替换法则融合在一起的。契约制定了，但是契约有前置条件和后置条件，前置条件就是你要让我执行，就必须满足我的条件；后置条件就是我执行完了，必须符合规定的契约。这个比较难理解，我们来看一个例子，我们先定义个Father类；

public class Father{
  public Collection doSomething(HashMap map){
  System.out.println("父类被执行...");
  return map.values();
}
}

??这个类非常简单，就是把 HashMap 转换为 Collection 集合类型，然后我们来看子类：

public class Son extends Father {
  //放大输入参数类型
  public Collection doSomething(Map map){
  System.out.println("子类被执行...");
  return map.values();
}
}

??大家注意看Son 类的doSomething方法部分，和父类同样的一个方法名称，但是又不是重写（Override）父类的方法，你加个@Override 试试看，报错的，为什么呢？是输入参数类型不同，编译器就不认为是重写父类的方法了，那这是什么？是重载（Overload）！不用大惊小怪的，不在一个类就不能是重载了？继承是什么意思，子类拥有父类的所有属性和方法，那方法名重复输入参数类型又不相同当然是重载了。我们再来看业务调用类：

public class Test {
public static void invoker(){
//父类存在的地方，子类就应该能够存在
  Father f = new Father();
  HashMap map = new HashMap();
  f.doSomething(map);
}
public static void main(String[] args) {
  invoker();
}
}

运行结果如下：

父类被执行...
??里氏替换法则说是父类出现的地方子类就能出现，我们把上面的黄色部分修改为子类，程序如下：

public class Test {
public static void invoker(){
//父类存在的地方，子类就应该能够存在
  Son s = new Son();
  HashMap map = new HashMap();
  s.doSomething(map);
}
public static void main(String[] args) {
  invoker();
}
}

??运行结果还是一样，看明白是怎么回事了吗？父类方法的输入参数是 HashMap 类型，子类的输入参数是 Map 类型，也就是说子类的输入参数类型的范围扩大了，子类代替父类传递到调用类用，子类的方法永远都不回被执行，这是正确的，如果你想让子类的方法运行，你就必须重写父类的方法。大家可以这样想想看，在一个 Invoker 类中关联了一个父类，调用了一个父类的方法，子类可以重写这个方法，也可以重载这个方法，前提是要扩大这个前置条件，就是输入参数的类型大于父类的类型覆盖范围。可能比较理难理解，那我们再反过来想一下，如果 Father 类的输入参数类型大于子类的输入参数类型，会出现什么问题？就会出现父类存在的地方，子类就未必可以存在，因为一旦把子类作为参数传入进去，调用者就很可能进入子类的方法范畴。我们把上面的例子修改一下，先看父类：

class Father{
public Collection doSomething(Map map){
  System.out.println("父类被执行...");
  return map.values();
}
}

??把父类的前置条件修改为 Map 类型，我们再修改一下子类方法的输入参数，相对父类缩小输入参数的类型范围，也就是缩小前置条件：

class Son extends Father{
//缩小输入参数范围
public Collection doSomething(HashMap map){
  System.out.println("子类被执行...");
  return map.values();

}

再来看业务场景类：

public class Test {
public static void invoker(){
//有父类的地方就有子类
   Father f= new Father();
   HashMap map = new HashMap();
   f.doSomething(map);
}
public static void main(String[] args) {
   invoker();
}
}

运行结果如下：

父类被执行...
、
??那我们再把里氏替换法则引入进来会有什么问题？有父类的地方子类就可以使用，好，我们把这个Client 类修改一下，程序如下：

public class Test {
public static void invoker(){
//有父类的地方就有子类
   Son f =new Son();
   HashMap map = new HashMap();
   f.doSomething(map);
}
public static void main(String[] args) {
   invoker();
}
}

运行结果如下：

子类被执行...
??子类在没有重写父类的方法的前提下，子类方法被执行了，这个绝对会引起以后的业务逻辑混乱，因为在项目的应用中父类一般都是抽象类，子类是实现类，你传递一个这样的实现类就会引起一堆意想不到的业务逻辑混乱，所以子类中方法的前置条件必须与超类中被覆盖的方法的前置条件相同或者更宽松。

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

??这个是什么意思呢，父类的一个方法返回值是一个类型 T，子类相同方法(重载或重写)返回值为 S，那么里氏替换法则就要求 S 必须小于等于 T，也就是说要么S 和 T 是同一个类型，要么 S 是 T 的子类，为什么呢？分两种情况，如果是重写，方法的输入参数父类子类是相同的，两个方法的范围值 S 小于等于 T，这个是重写的要求，这个才是重中之重，子类重写父类的方法，天经地义；如果是重载，则要求方法的输入参数不相同，在里氏替换法则要求下就是子类的输入参数大于等于父类的输入参数，那就是说你写的这个方法是不会被调用到的，参考上面讲的前置条件。

??里氏替换法则诞生的目的就是加强程序的健壮性，同时版本升级也可以做到非常好的兼容性，增加子类，原有的子类还可以继续运行。在我们项目实施中就是每个子类对应了不同的业务含义，使用父类作为参数，传递不同的子类完成不同的业务逻辑，非常完美！
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