设计模式学习笔记 - 设计原则 - 3.里氏替换原则,它和多态的区别是什么?

前言

今天来学习 SOLID 中的 L:里氏替换原则。它的英文翻译是 Liskov Substitution Principle,缩写为 LSP。

英文原话是: Functions that use points of references of base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it。

用中文描述,是这样的:子类对象能够替换程序中父类对象出现的任何地方,并且保证原来程序的逻辑行为不变及正确性不被破坏。


如何理解"里氏替换原则"

开头对里氏替换原则的解释比较抽象,通过一个例子来解释下。父类 Transporter 使用 org.apach.http 来传输网络数据。子类 SecurityTransporter 继承父类 Transporter,增加了额外的功能,支持传输 appIdappToken 安全认证信息。

java 复制代码
public class Transporter {
    private HttpClient httpClient;

    public Transporter(HttpClient httpClient) {
        this.httpClient = httpClient;
    }

    public Response sendRequest(Request request) {
        // ...use httpClient to send request
    }
}

public class SecurityTransporter extends Transporter {
    private String appId;
    private String appToken;

    public SecurityTransporter(HttpClient httpClient, String appId, String appToken) {
        super(httpClient);
        this.appId = appId;
        this.appToken = appToken;
    }

    @Override
    public Response sendRequest(Request request) {
        if (StringUtils.isNotBlank(appId) && StringUtils.isNotBlank(appToken)) {
            request.addPayload("app-id", appId);
            request.addPayload("app-token", appToken);
        }
        return super.sendRequest(request);
    }
}

public class Demo {
    public void demoFunction(Transporter transporter) {
        Request request = new Request();
        // 省略设置 request中数据的代码...
        Response response = transporter.sendRequest(request);
        // 省略其他逻辑
    }
}

// 里氏替换原则
Demo demo = new Demo();
demo.demoFunction(new SecurityTransporter(/*省略参数*/));

在上面代码中,子类 SecurityTransporter 的设计符合里氏替换原则,可以替换父类出现的任何位置,并且原来代码的逻辑行为不变且正确性也没有被破坏。

你可能会有疑问,刚刚的代码就是利用了多态,多态和里氏替换原则是不是一回事呢?

其实它们完全是两回事。

我们还是通过刚刚的例子来说明下。对 SecurityTransporter 类中 sendRequest() 函数稍微改造下。对 appIdappToken 进行校验,若没有设置,则抛出异常。改造后的代码如下所示:

java 复制代码
// 改造前
public class SecurityTransporter extends Transporter {
	// 其他代码忽略...
    @Override
    public Response sendRequest(Request request) {
        if (StringUtils.isNotBlank(appId) && StringUtils.isNotBlank(appToken)) {
            request.addPayload("app-id", appId);
            request.addPayload("app-token", appToken);
        }
        return super.sendRequest(request);
    }
}

// 改造后
public class SecurityTransporter extends Transporter {
	// 其他代码忽略...
    @Override
    public Response sendRequest(Request request) {
        if (StringUtils.isBlank(appId) || StringUtils.isBlank(appToken)) {
            throw new NoAuthorizationRuntimeException(...);
        }
        request.addPayload("app-id", appId);
        request.addPayload("app-token", appToken);
        return super.sendRequest(request);
    }
}

改造之后,如果传递进 demoFunction() 函数的是父类 Transporter 对象,那不会有溢出抛出,但是如果传递的是 SecurityTransporter 对象有可能会抛出异常,子类替换父类传递进 demoFunction() 函数之后,整个程序的逻辑行为有了改变。

虽然改造之后的代码仍然可以通过 Java 的多态语法,动态地用子类来替换父类,也不会导致程序编译或运行出错,但是,从设计思路上来讲,SecurityTransporter 不符合里氏替换原则。

总结一下,虽然从定义描述和代码实现上来看,多态和里氏替换原则有点类似,但它们关注的角度不同。

  • 多态是面向对象编程的一大特性,也是面向对象编程语言的一种语法。是一种代码实现的思路。
  • 里氏替换原则是一种设计原则,用来指导继承关系中子类该如何设计,子类的设计要保证在替换父类的时候,不改变原有程序的逻辑以及不破坏原有程序的正确性。

哪些代码明显违背了 LSP?

子类在设计的时候,要遵守父类的行为约定(或者叫协议)。行为约定包括:

  • 函数声明要实现的功能
  • 对输入、输出、异常的约定
  • 甚至包括注释中所罗列的任何特殊说明。

为了更好的说明,我们举几个反例来解释下。

1.子类违背父类声明要实现的功能

父类中提供的 sortOrdersByAmount() 订单排序函数,是按照金额从小到大排序,而子类重写之后,按照创建日期来给订单排序。那子类的设计就违背里氏替换原则。

2.子类违背父类对输入、输出、异常的约定

在父类中,某个函数约定:运行出错的时候返回 null;获取数据为空的时候返回空集合(empty collection)。而子类重载后,运行出错返回异常,获取不到数据返回 null。那子类的设计就违背里氏替换原则。

在父类中,某个函数约定,输入可以是任意整数,但子类实现的时候,只允许输入正整数,负数就抛出异常,即子类对输入数据的校验比父类严格,那子类的设计就违背里氏替换原则。

在父类中,某个函数约定,只会抛出 ArgumentNullException 异常,那子类的实现中,只允许排抛出 ArgumentNullException 异常,任何其他异常的抛出,都会导致子类违背里氏替换原则。

3.子类违背父类注释中所罗列的任何特殊说明

父类定义的 withdraw() 提现函数的注释是这么写的:"用户的提现金额不得超过账户余额...",而之类重写 withdraw() 函数后,针对 VIP 账号实现了透支提现的功能,也就是提现金额可以大于账户余额,那这个子类的设计也是不符合里氏替换原则的。

以上三种典型的违背历史替换原则的情况。此外,判断子类的设计实现是否违背里氏替换原则,还有一个小窍门,就是拿父类的单元测试去验证子类的代码。如果某些单元测试运行失败,就有可能说明,子类的设计实现没有完全地遵守父类的约定,子类有可能违背了里氏替换原则。

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