里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）是面向对象设计中的一个重要原则，它指出子类必须能够替换它的基类，并且程序的行为不会发生改变。也就是说，在任何使用基类对象的地方，都可以透明地使用其子类对象。继承不仅是代码复用的手段，更重要的是表达了类型的抽象，子类是对基类的一种特殊化。
下面通过几个 C++ 代码示例来详细讲解里氏替换原则。
示例一：简单的继承与替换
首先，我们定义一个基类 Shape 表示形状，然后派生出子类 Rectangle（矩形）和 Square（正方形）。
cpp
#include <iostream>
// 基类：形状
class Shape {
public:
virtual double area() const = 0;
virtual ~Shape() {}
};
// 子类：矩形
class Rectangle : public Shape {
private:
double width;
double height;
public:
Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
double area() const override {
return width * height;
}
};
// 子类：正方形
class Square : public Shape {
private:
double side;
public:
Square(double s) : side(s) {}
double area() const override {
return side * side;
}
};
// 计算形状面积的函数
void printArea(const Shape& shape) {
std::cout << "Area: " << shape.area() << std::endl;
}
int main() {
Rectangle rect(3, 4);
Square square(5);
// 可以用子类对象替换基类对象
printArea(rect);
printArea(square);
return 0;
} 代码解释
Shape 是一个抽象基类，定义了纯虚函数 area()，用于计算形状的面积。
Rectangle 和 Square 是 Shape 的子类，分别实现了 area() 函数。
printArea 函数接受一个 Shape 类型的引用作为参数，在 main 函数中，我们可以将 Rectangle 和 Square 对象传递给 printArea 函数，这体现了子类可以替换基类的特性。
示例二：违反里氏替换原则的情况
有时候，如果子类的行为与基类的预期行为不一致，就会违反里氏替换原则。例如，我们对上面的 Rectangle 和 Square 类进行修改，添加 setWidth 和 setHeight 方法。
cpp
#include <iostream>
// 基类：矩形
class Rectangle {
protected:
double width;
double height;
public:
Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
virtual void setWidth(double w) { width = w; }
virtual void setHeight(double h) { height = h; }
double area() const {
return width * height;
}
};
// 子类：正方形
class Square : public Rectangle {
public:
Square(double s) : Rectangle(s, s) {}
void setWidth(double w) override {
width = w;
height = w;
}
void setHeight(double h) override {
width = h;
height = h;
}
};
// 调整矩形尺寸并打印面积的函数
void resizeAndPrint(Rectangle& rect) {
rect.setWidth(5);
rect.setHeight(10);
std::cout << "Area: " << rect.area() << std::endl;
}
int main() {
Rectangle rect(3, 4);
Square square(5);
// 对于矩形，预期结果是 5 * 10 = 50
resizeAndPrint(rect);
// 对于正方形，结果不符合预期，因为正方形的宽和高总是相等的
resizeAndPrint(square);
return 0;
}代码解释
在这个例子中，Square 类继承自 Rectangle 类，但是 Square 类的 setWidth 和 setHeight 方法会同时修改宽和高，这与 Rectangle 类的预期行为不一致。
resizeAndPrint 函数期望传入的 Rectangle 对象可以独立地设置宽和高，但是当传入 Square 对象时，结果不符合预期，这就违反了里氏替换原则。
总结
里氏替换原则强调了继承关系中类型的兼容性和行为的一致性。在设计类和继承体系时，要确保子类能够完全替换基类，并且不会破坏程序的正确性。如果子类的行为与基类的预期行为不一致，就可能需要重新考虑类的设计，例如使用组合而不是继承。