设计模式之禅 里氏替换原则

爱恨纠葛的父子关系

在面向对象的语言中，继承是必不可少的、非常优秀的语言机制，它有如下优点：

• 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；
• 提高代码的重用性；
• 子类可以形式父类，但又异于父类，“龙生龙，凤生凤，老鼠生来会打洞”是说子拥有父的“种”，“世界上没有两片完全相同的叶子”是指明子与父的不同；
• 提高代码的可扩展性，实现父类的方法就可以“为所欲为”了，君不见很多开源框架的扩展接口都是通过继承父类来完成的；
• 提高产品或项目的开放性。

自然界的所有事物都是优点和缺点并存的，即使是鸡蛋，有时候也能挑出骨头来，继承的缺点如下：

• 继承是侵入性的。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，让子类自由的世界中多了些约束；
• 增强了耦合性。当父类的常量、变量和方法被修改时，需要考虑子类的修改，而且在缺乏规范的环境下，这种修改可能带来非常糟糕的结果——大段的代码需要重构。

Java 使用 extends 关键字来实现继承，它采用了单一继承的规则，C++ 则采用了多重继承的规则，一个子类可以继承多个父类。

从整体上来看，利大于弊，怎么才能让“利”的因素发挥最大的作用，同时减少“弊”带来的麻烦呢？解决方案是引入里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP），什么是里氏替换原则呢？它有两种定义：

• 第一种定义，也是最正宗的定义：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 T, the behavior of P is unchanged when o1 is substituted for o2 then S is a subtype of T.（如果对每一个类型为 S 的对象 o1，都有类型为 T 的对象 o2，使得以 T 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 S 是类型 T 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.（所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。）

第二个定义是最清晰明确的，通俗点讲，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是父类还是子类。

但是，反过来就不行了，有子类出现的地方，父类未必就能适应。

纠纷不断，规则压制

里氏替换原则为良好的继承定义了一个规范，一句简单的含义包含了4层含义。

子类必须完全实现父类的方法

我们在做系统设计时，经常会定义一个接口或抽象类，然后编码实现，调用类则直接传入接口或抽象类，其实这里已经使用了里氏替换原则。

我们举个例子来说明这个原则，大家都打过 CS 吧，非常经典的 FPS 类游戏，我们来描述一下里面用到的枪，类图如图所示：

枪的主要职责是射击，如何射击在各个具体的子类中定义，手枪是单发射程比较近，步枪威力大射程远，机枪用于扫射。

在士兵类中定义了一个方法 killEnemy，使用枪来杀敌人，具体使用什么枪来杀敌人，调用的时候才知道，AbstractGun 类的源程序如代码所示：

/**
 * 枪支的抽象类
 */
public abstract class AbstractGun {
    //强用来干什么的？杀敌！
    public abstract void shoot();
}

手枪、步枪、机枪的实现类如代码所示：

/**
 * 手枪的实现类
 *
 */
public class Handgun extends AbstractGun {
    //手枪的特点是携带方便，射程短
    @Override
    public void shoot() {
        System.out.println("手枪射击...");
    }
}

/**
 * 步枪的实现类
 */
public class Rifle extends AbstractGun{
    //步枪的特点是射程远，威力大
    @Override
    public void shoot() {
        System.out.println("步枪射击...");
    }
}

/**
 * 机枪的实现类
 */
public class MachineGun extends AbstractGun{
    @Override
    public void shoot() {
        System.out.println("机枪扫射...");
    }
}

有了枪支，还要有能够使用这些枪支的士兵，其源程序如代码所示：

/**
 * 士兵的实现类
 */
public class Soldier {
    //定义士兵的枪支
    private AbstractGun gun;
    //给士兵一支枪
    public void setGun(AbstractGun gun) {
        this.gun = gun;
    }
    public void killEnemy() {
        System.out.println("士兵杀敌...");
        gun.shoot();
    }
}

注意“public void killEnemy() {”，定义士兵使用枪来杀敌，但是这把枪是抽象的，具体是手枪还是步枪需要在上战场（也就是场景中）前通过 setGun 方法确定。场景类 Client 的源代码如代码所示：

/**
 * 场景类
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //产生一个士兵
        Soldier soldier = new Soldier();
        //给士兵一支枪
        soldier.setGun(new Rifle());
        soldier.killEnemy();
    }
}