面向对象设计原则（三）：里氏替换原则（LSP）
里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）是面向对象设计（OOD）中比较重要、常见的一种，下面来总结里氏替换原则的知识点，包括：
1、什么是里氏替换原则？
2、为什么需要遵守里氏替换原则？
3、怎么实现里氏替换原则，保证子类能透明的替换父类？
4、里氏替换原则（LSP）与开闭原则（OCP）的区别与联系；
5、里氏替换原则冲突时如何重构，以及违反里氏替换原则的一些情况。
1、什么是里氏替换原则（LSP）
1-1、里氏替换原则的定义
里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）可以解释为：
派生类型（子类）必须能够替换掉它们的基类型（父类）。
Barbara LisKov首次写下这个原则是在1988年。她说道：
"这里需要如下的替换性质：若对类型S的每一个对象O1,都存在一个类型T的对象O2，使得在所有针对T编写的程序P中，用O1替换O2后，程序P的行为功能不变，则S是T的子类型。"
1-2、定义解释
可以用简单的伪代码解释：
Sub extends Base;
对于所有使用基类的方法：
method(Base b);
对于每一个派生类，可以这样使用:
method(new Sub());
但反之则不行，定义：
method(Sub b);
不可以这样使用：
method(new Base());
Andy Hunt和Dave Thomas总结（2000）：
派生类必须能通过基类的接口而被使用，且使用者无须了解两者之间的差异。
2、为什么需要里氏替换原则
即：为什么要让所有派生类可以替换基类呢？
答：
对于基类中定义的所有子程序，用在它的任何一个派生类中时的含义都应该是相同的。
这样继承才不会增加复杂度，基类才能真正被复用，而派生类也能够在基类的基础上增加新的行为。
如果我们必须要不断地思考不同派生类的实现在语义上的差异，继承就只会增加复杂度了。
最终，还是回到了这个主题：
软件的首要技术使命--管理复杂度。
程序遵循Liskov替换原则，就能降低继承带来的复杂度。
3、怎么实现里氏替换原则
即：如何使用里氏替换原则（LSP），使得继承子类能透明的替换父类？
首先得理解继承：
Liskov提出（1998）：
除非派生类是一个"更特殊"的类，否则不应该从基类继承。
继承是IS-A关系（"Sub是一个Base"）：
如果一个新类型的对象被认为和一个已有类的对象之间满足IS-A关系，那么这个新对象的类应该从这个已用对象的类派生。
LSP清楚的指出：
IS-A是关于行为的，对象的行为才是客户程序所依赖的，是软件真正所关注的问题。
而对象的行为方式是可以进行合理假设的，基于契约的设计技术可以使这些合理的假设明确化，从而支持了LSP。
基于契约设计（Design By Contract,DBC）：
类的编写者显式地规定针对该类的契约；而客户代码的编写者可以通过该契约获悉可以依赖的行为方式。
契约是通过为每个方法声明前置条件（Precondition） 和后置条件（Postcondition）来指定的。
前置条件和后置条件：
要使一个方法得以执行，前置条件必须要为真。执行完毕后，该方法要保证后置条件为真。
按照Meyer所述，派生类的前置条件和后置条件规则是：
"在重新声明派生类中的例程时，只能使用相等或者更弱的前置条件来替换原始的前置条件，只能使用相等或者更强的后置条件来替换原始的后置条件。"
示例说明：
C++、Java和C#中都没有对前置条件和后置条件的直接支持，如Java可以编写断言assert语句来实现，伪代码示例如下：
父类的前置条件：
//用户名不为空，且密码不能为空
assert((userName != null) && (password != null));
子类的前置条件（更弱）：
//用户名不为空
assert((userName != null));
父类的后置条件：
//返回结果Token不为空
assert((result.token != null));
子类的后置条件（更强）：
//返回结果Token不为空，且需要设置过期时间
assert((result.token!= null) && (result.expiredTime != null));
当用户（单元测试）使用父类的时候，只需要知道父类的前置条件和后置条件，就可以替换的使用其所有子类，因为：
对于前置条件，满足父类的前置条件：用户名不为空，且密码不能为空；必定满足子类的前置条件（更弱）：用户名不为空。即：子类必须接受父类可以接受的一切。
对于后置条件，满足父类的后置条件：返回结果Token不为空；必定满足子类的后置条件（更强）：返回结果Token不为空，且需要设置过期时间。即：父类的用户不应被所使用的子类的输出扰乱。
4、里氏替换原则需要注意什么
4-1、里氏替换原则（LSP）与开闭原则（OCP）的区别与联系
在上一篇文章《面向对象设计原则（二）：开放-封闭原则（OCP）》我们知道：
开放-封闭原则（OCP）：
软件实体（类、模块、函数等）应该是可以扩展的，但是不可修改的。
即：
软件质量的下降，来源于修改；
替换整个实现类，而不是修改其中的某行；
替换的扩展类可以从抽象类继承、或实现抽象接口。
提倡使用实现抽象接口的方式。
OCP扩展类可以继承或实现接口两种方式，而里氏替换原则（LSP）主要针对继承的，它能降低继承带来的复杂度，所以可以说：LSP是OCP的重要方式之一。
当然，有很多文章说到LSP与OCP第二种"实现接口来扩展（替换）"相关，个人理解：面向接口编程，替换使用的时候，是需要考虑每个实现类的细节的；而LSP强调的是透明的替换使用。
4-2、里氏替换原则与重构
当继承不能满足里氏替换原则时，应该进行重构，两种重构方法：
1、重新提取公共部分的方法
把冲突的派生类与基类的共部分提取出来作为一个抽象基类，然后分别继承这个类。
对于提取公共部分：
提取公共部分是一个设计工具，最好在代码不是很多的时候应用。
因为如果两个派生类中具有一些公共的特性，那么很可能稍后出现的其他类也会需要这些特性。
2、改变继承关系
即：从父子关系变为委派关系或兄弟关系。
可以把它们的一些公有特性提取到一个抽象接口，再分别实现。
4-3、常见违反里氏替换原则的情况
违反LSP一般都是派生类以某种方式从其基类中去除一些功能有关，完成的功能少于其基类的派生类通常是不能替换其基类的，因为违反了LSP。
1、派生类中的退化函数
基类一个函数提供默认实现，派生类中重写却什么都不做，这很可能违反LSP。
2、从派生类中抛出新异常
从派生类的方法中抛出了其基类不会抛出的异常。
因为如果基类使用都不期望这些异常，这些派生类的方法就会导致不可替换性。
5、总结
里氏替换原则（LSP）：
派生类型（子类）必须能够替换掉它们的基类型（父类）。
即：
派生类必须能通过基类的接口而被使用，且使用者无须了解两者之间的差异。
LSP主要针对继承，能降低继承带来的复杂度。
可以通过基于契约设计的前置条件和后置条件来保证透明替换。
LSP是开闭原则（OCP）的重要方式之一。
到这里，我们对里氏替换原则有了一个大体的了解，还需要平时开发中多注意，后面我们将了解其他的面向对象设计原则......
【参考资料】
1、《敏捷软件开发：原则、模式与实践》第10章 Liskov替换原则（LSP）
2、维基百科"Liskov substitution principle"
3、《代码大全》第二版 第5章 软件构件中的设计
4、《Java与模式》第7章 里氏代换原则(LSP)