Java設計模式——里氏代換原則

一、什麼是里氏代換原則？

一個軟件實體如果使用的是一個基類的話，那麼一定適用於其子類，而且它根本不能察覺出基類對象和子類對象的區別。比如，假設有兩個類，一個是Base類，另一個是Derived類，並且Derived類是Base類的子類。那麼一個方法如果可以接受基類對象Base的話：

method(Base b)，那麼它必然可以接受一個子類對象d,也即method(d)。

里氏代換原則是繼承複用的基石。只有當衍生類可以替換掉基類，軟件單位的功能不會受到影響時，基類才能真正被複用，而衍生類也才能夠在基類的基礎上增加新的行爲。

二、從代碼重構的角度理解

里氏代換原則講的是基類和子類的關係。只有當這種關係存在時，里氏代換關係才存在；反之則不存在。如果有兩個具體類A和B之間的關係違反了里氏代換原則的設計，根據具體情況可以在下面的兩種重構方案中選擇一種：

（1）      創建一個新的類C，作爲兩個具體類的超類，將A和B的共同行爲移動到C中，從而解決A和B行爲不完全一致的問題，如下圖所示。

（2）      從B到A的繼承關係，改寫爲委派關係，如下圖所示。

正方形和長方形

一個長方形Rectangle類

public class Rectangle {
	private long width;
	private long height;
	public long getWidth() {
		return width;
	}
	public void setWidth(long width) {
		this.width = width;
	}
	public long getHeight() {
		return height;
	}
	public void setHeight(long height) {
		this.height = height;
	}
}

當width和height相等時，就得到了正方形對象。因此，長方形的對象中有一些是正方形對象。一個正方形Square類

public class Square {
	private long side;

	public long getSide() {
		return side;
	}

	public void setSide(long side) {
		this.side = side;
	}
}

因爲這個正方形類不是長方形的子類，而且也不可能成爲長方形的子類，因此在Rectangle類和Square類之間不存在里氏代換關係，如下圖所示。

正方形不可以作爲長方形的子類

爲什麼正方形不可以作爲長方形的子類呢？如果將正方形設置成長方形的子類，類圖

Square類的源代碼：

public class Square extends Rectangle{
	private long side;
	public long getWidth() {
		return getSide();
	}
	public void setWidth(long width) {
		setSide(width);
	}
	public long getHeight() {
		return getSide();
	}
	public void setHeight(long height) {
		setSide(height);
	}
	public long getSide() {
		return side;
	}

	public void setSide(long side) {
		this.side = side;
	}
}

這樣，只要width或height被賦值了，那麼width和height會被同時賦值，從而使長方形的長和寬總是相等的。但是如果客戶端使用一個Square對象調用下面的resize()方法時，就會得出與使用一個Rectangle對象不同的結論。當傳入的是一個Rectangle對象時，這個resize()方法會將寬度不斷增加，直到它超過長度纔會停下來。如果傳入的是一個Square對象，這個resize()方法會將正方形的邊不斷的增加下去，直到溢出爲止。換言之，里氏代換原則被破壞了，因此Square不應當成爲Rectangle的子類。

SmartTest類源代碼

public class SmartTest {
	public void resize(Rectangle r){
		while(r.getWidth()<=r.getHeight()){
			r.setWidth(r.getWidth()+1);
		}
	}
}

代碼的重構

Rectangle類和Square類到底是怎樣的關係呢？它們都應當屬於四邊形(Quadrangle)的子類,通過發明一個Quadrangle（四邊形）類，並將Rectangle類和Square類變成它的具體子類，就解決了Rectangle類和Square類的關係不符合里氏代換原則的問題。如下圖所示。

Java接口Quadrangle（四邊形）類的代碼，其中只聲明瞭兩個取值方法，沒有聲明任何的賦值方法。

public interface Quadrangle {
	public long getWidth();
	public long getHeight();
}

長方形是四邊形的子類，具有賦值方法。Rectangle類。

public class Rectangle implements Quadrangle{
	private long width;
	private long height;
	public long getWidth() {
		return width;
	}
	public void setWidth(long width) {
		this.width = width;
	}
	public long getHeight() {
		return height;
	}
	public void setHeight(long height) {
		this.height = height;
	}
}

正方形是四邊形的子類，具有賦值方法。Square類。

public class Square implements Quadrangle{
	private long side;
	public long getSide() {
		return side;
	}
	
	public void setSide(long side) {
		this.side = side;
	}
	public long getWidth() {
		return getSide();
	}
	public long getHeight() {
		return getSide();
	}
}

破壞里氏代換原則的問題是怎麼避免的呢？祕密在於基類Quadrangle類沒有賦值方法。因此上面的resize()方法不可能適用於Quadrangle類型，而只能適用於不同的具體子類Rectangle和Square，因此里氏代換原則不可能被破壞。