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10.3.2 里氏代换原则(Liskov Substitution Principle)
里氏代换原则是由麻省理工学院(MIT)计算机科学实验室的Liskov女士,在1987年的OOPSLA大会上发表的一篇文章《Data Abstraction and Hierarchy》里面提出来的,主要阐述了有关继承的一些原则,也就是什么时候应该使用继承,什么时候不应该使用继承,以及其中的蕴涵的原理。2002年,软件工程大师Robert C. Martin,出版了一本《Agile Software Development Principles Patterns and Practices》,在文中他把里氏代换原则最终简化为一句话:"Subtypes must be substitutable for their base types",也就是说,子类必须能够替换成它们的基类。
我们把里氏代换原则解释得更完整一些:在一个软件系统中,子类应该可以替换任何基类能够出现的地方,并且经过替换以后,代码还能正常工作。子类也能够在基类的基础上增加新的行为。
里氏代换原则是对开闭原则的补充,它讲的是基类和子类的关系。只有当这种关系存在时,里氏代换关系才存在。
"正方形是长方形"是一个理解里氏代换原则的最经典的例子。在数学领域里,正方形毫无疑问是长方形,它是一个长宽相等的长方形。所以,应该让正方形继承自长方形。
长方形类如程序10-1所示。
程序10-1 长方形类Rectangle.java
- packageprinciple.liskovsubstitution;
- publicclassRectangle{
- privateintheight;
- privateintwidth;
- publicintgetHeight(){
- returnheight;
- }
- publicvoidsetHeight(intheight){
- this.height=height;
- }
- publicintgetWidth(){
- returnwidth;
- }
- publicvoidsetWidth(intwidth){
- this.width=width;
- }
- }
继承了长方形的正方形类如程序10-2所示。
程序10-2 正方形类Square.java
- packageprinciple.liskovsubstitution;
- publicclassSquareextendsRectangle{
- publicvoidsetWidth(intwidth){
- super.setWidth(width);
- super.setHeight(width);
- }
- publicvoidsetHeight(intheight){
- super.setWidth(height);
- super.setHeight(height);
- }
- }
由于正方形的长度和宽度必须相等,所以在方法setLength()和setWidth()中,对长度和宽度赋值相同。程序10-3所示的测试类中的函数zoom()用来增加长方形的长和宽。
程序10-3 测试类TestRectangle.java
- packageprinciple.liskovsubstitution;
- publicclassTestRectangle{
- publicvoidzoom(Rectanglerectangle,intwidth,intheight){
- rectangle.setWidth(rectangle.getWidth()+width);
- rectangle.setHeight(rectangle.getHeight()+height);
- }
- }
显然,当增加的长度和宽度不同时,不能够将其中的长方形换成其子类正方形。这就违反了里氏代换原则。
为了符合里氏代换原则,我们可以为长方形和正方形创建一个父类Base,并在其中定义好共有的属性,并定义一个zoom()抽象函数,如程序10-4所示。
程序10-4 父类Base.java
- packageprinciple.liskovsubstitution;
- publicabstractclassBase{
- privateintheight;
- privateintwidth;
- publicintgetHeight(){
- returnheight;
- }
- publicvoidsetHeight(intheight){
- this.height=height;
- }
- publicintgetWidth(){
- returnwidth;
- }
- publicvoidsetWidth(intwidth){
- this.width=width;
- }
- publicabstractvoidzoom(intwidth,intheight);
- }
长方形类继承自该父类,并编写自己的zoom()实现函数,如程序10-5所示。
程序10-5 修改后的长方形类BaseRectangle.java
- packageprinciple.liskovsubstitution;
- publicclassBaseRectangleextendsBase{
- publicvoidzoom(intwidth,intheight){
- setWidth(getWidth()+width);
- setHeight(getHeight()+height);
- }
- }
正方形类也继承自该父类,并编写自己的zoom()实现函数,如程序10-6所示。
程序10-6 修改后的正方形类BaseSquare.java
- packageprinciple.liskovsubstitution;
- publicclassBaseSquareextendsBase{
- publicvoidsetWidth(intwidth){
- super.setWidth(width);
- super.setHeight(width);
- }
- publicvoidsetHeight(intheight){
- super.setWidth(height);
- super.setHeight(height);
- }
- publicvoidzoom(intwidth,intheight){
- intlength=(width+height)/2;
- setWidth(getWidth()+length);
- setHeight(getHeight()+length);
- }
- }
编写测试函数如程序10-7所示。
程序10-7 修改后的测试类BastTest.java
- packageprinciple.liskovsubstitution;
- publicclassBastTest{
- publicvoidzoom(Basebase,intheight){
- base.zoom(width,height);
- }
- }
此时的Base类可以被它的子类Rectangle和Square所替代,而不用改变测试代码。这就是符合里氏代换原则的编写方式。
由此可见,在进行设计的时候,我们尽量从抽象类继承,而不是从具体类继承。如果从继承等级树来看,所有叶子节点应当是具体类,而所有的树枝节点应当是抽象类或者接口。当然这只是一个一般性的指导原则,使用的时候还要具体情况具体分析。