我听说利斯科夫替换原则(LSP)是面向对象设计的基本原则。它是什么?它的一些使用例子是什么?
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到目前为止,我发现LSP最清晰的解释是“利斯科夫替换原则说,派生类的对象应该能够替换基类的对象,而不会给系统带来任何错误,也不会修改基类的行为”。文中给出了违反LSP的代码示例并进行了修复。
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LSP是关于类的契约的规则:如果基类满足契约,则LSP派生的类也必须满足该契约。
在Pseudo-python
class Base:
def Foo(self, arg):
# *... do stuff*
class Derived(Base):
def Foo(self, arg):
# *... do stuff*
如果每次在派生对象上调用Foo,它给出的结果与在Base对象上调用Foo完全相同,只要arg是相同的。
罗伯特·马丁有一篇关于利斯科夫替换原理的优秀论文。它讨论了可能违反原则的微妙和不那么微妙的方式。
论文的一些相关部分(注意,第二个例子被大量压缩):
A Simple Example of a Violation of LSP One of the most glaring violations of this principle is the use of C++ Run-Time Type Information (RTTI) to select a function based upon the type of an object. i.e.: void DrawShape(const Shape& s) { if (typeid(s) == typeid(Square)) DrawSquare(static_cast<Square&>(s)); else if (typeid(s) == typeid(Circle)) DrawCircle(static_cast<Circle&>(s)); } Clearly the DrawShape function is badly formed. It must know about every possible derivative of the Shape class, and it must be changed whenever new derivatives of Shape are created. Indeed, many view the structure of this function as anathema to Object Oriented Design. Square and Rectangle, a More Subtle Violation. However, there are other, far more subtle, ways of violating the LSP. Consider an application which uses the Rectangle class as described below: class Rectangle { public: void SetWidth(double w) {itsWidth=w;} void SetHeight(double h) {itsHeight=w;} double GetHeight() const {return itsHeight;} double GetWidth() const {return itsWidth;} private: double itsWidth; double itsHeight; }; [...] Imagine that one day the users demand the ability to manipulate squares in addition to rectangles. [...] Clearly, a square is a rectangle for all normal intents and purposes. Since the ISA relationship holds, it is logical to model the Square class as being derived from Rectangle. [...] Square will inherit the SetWidth and SetHeight functions. These functions are utterly inappropriate for a Square, since the width and height of a square are identical. This should be a significant clue that there is a problem with the design. However, there is a way to sidestep the problem. We could override SetWidth and SetHeight [...] But consider the following function: void f(Rectangle& r) { r.SetWidth(32); // calls Rectangle::SetWidth } If we pass a reference to a Square object into this function, the Square object will be corrupted because the height won’t be changed. This is a clear violation of LSP. The function does not work for derivatives of its arguments. [...]
该原则由Barbara Liskov在1987年提出,并通过关注超类及其子类型的行为来扩展开闭原则。
当我们考虑违反它的后果时,它的重要性就变得显而易见了。考虑一个使用以下类的应用程序。
public class Rectangle
{
private double width;
private double height;
public double Width
{
get
{
return width;
}
set
{
width = value;
}
}
public double Height
{
get
{
return height;
}
set
{
height = value;
}
}
}
想象一下,有一天,客户要求除了矩形之外还能操作正方形。因为正方形是矩形,所以square类应该派生自rectangle类。
public class Square : Rectangle
{
}
然而,这样做会遇到两个问题:
一个正方形不需要从矩形继承高度和宽度变量,如果我们必须创建成千上万个正方形对象,这可能会造成严重的内存浪费。 从矩形继承的width和height setter属性不适用于正方形,因为正方形的宽度和高度是相同的。 为了将height和width设置为相同的值,我们可以创建两个新属性,如下所示:
public class Square : Rectangle
{
public double SetWidth
{
set
{
base.Width = value;
base.Height = value;
}
}
public double SetHeight
{
set
{
base.Height = value;
base.Width = value;
}
}
}
现在,当有人设置一个正方形物体的宽度时,它的高度将相应地改变,反之亦然。
Square s = new Square();
s.SetWidth(1); // Sets width and height to 1.
s.SetHeight(2); // sets width and height to 2.
让我们继续考虑另一个函数:
public void A(Rectangle r)
{
r.SetWidth(32); // calls Rectangle.SetWidth
}
如果我们将一个方形对象的引用传递给这个函数,我们将违反LSP,因为该函数对其参数的导数不起作用。属性width和height不是多态的,因为它们在矩形中没有被声明为虚的(正方形对象将被损坏,因为高度不会被改变)。
然而,通过将setter属性声明为virtual,我们将面临另一个违反,即OCP。事实上,派生类正方形的创建会导致基类矩形的变化。
简单来说,LSP是指同一超类的对象应该能够在不破坏任何东西的情况下相互交换。
例如,如果我们有一个从Animal类派生的Cat和Dog类,那么任何使用Animal类的函数都应该能够使用Cat或Dog,并且行为正常。
假设我们在代码中使用了一个矩形
r = new Rectangle();
// ...
r.setDimensions(1,2);
r.fill(colors.red());
canvas.draw(r);
在几何课上,我们学过正方形是一种特殊类型的矩形,因为它的长宽相等。让我们根据下面的信息创建一个Square类:
class Square extends Rectangle {
setDimensions(width, height){
assert(width == height);
super.setDimensions(width, height);
}
}
如果我们在第一个代码中将矩形替换为正方形,那么它将会中断:
r = new Square();
// ...
r.setDimensions(1,2); // assertion width == height failed
r.fill(colors.red());
canvas.draw(r);
这是因为正方形有一个我们在矩形类中没有的新前提条件:width == height。根据LSP,矩形实例应该被矩形子类实例替代。这是因为这些实例通过了矩形实例的类型检查,因此它们将在代码中导致意外错误。
这是wiki文章中“在子类型中不能加强先决条件”部分的一个例子。因此,总而言之,违反LSP可能会在某些时候导致代码错误。