第2章 面向对象的设计原则（SOLID）：2_里氏替换原则（LSP）

2. 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）

2.1 定义

（1）所有使用基类的地方必须能透明地使用子类替换，而程序的行为没有任何变化（不会产生运行结果错误或异常）。只有这样，父类才能被真正复用，而且子类也能够在父类的基础上增加新的行为。也只有这样才能正确的实现多态

（2）当一个类继承了另一个类时，子类就拥有了父类中可以继承下来的属性和操作。但如果子类覆盖了父类的某些方法，那么原来使用父类的地方就可能会出现错误，因为表面上看，它调用了父类的方法，但实际运行时却调用了被子类覆盖的方法，而这两个方法的实现可能不一样，这就不符合LSP原则。（见后面的解决方案）

（3）里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一，由于使用基类对象的地方都可以使用子类对象，因此在程序中尽量使用基类类型来对对象进行定义，而在运行时再确定其子类类型，用子类对象来替换父类对象。

【编程实验】正方形与长形的驳论

 //1、正方形是一种特殊的长方形（is - a关系）？

#include <stdio.h>

//长方形类
class Rectangle
{
protected:
    long width;
    long height;
public:
    void setWidth(long width){this->width = width;}
    long getWidth(){return this->width;}
    
    void setHeight(long height){this->height = height;}
    long getHeight(){return this->height;}
    
    long getArea(){return width * height;}
};

//正方形类(如果继承自长方形类)
class Square : public Rectangle
{
public:
    void setWidth(long width)
    {
        this->width = width;
        this->height = width;
    }
    
    long getWidth(){return this->width;}
    
    void setHeight(long height)
    {
        this->width = height;
        this->height = height;       
    }
    
    long getHeight(){return this->height;}      
};

int main()
{
    //LSP原则：父类出现的地方必须能用子类替换
    Rectangle* r = new Rectangle();//Square *r = new Square();
    
    r->setWidth(5);
    r->setHeight(4);
    
    printf("Area = %d\n",r->getArea()); //当用子类时，结果是16。用户就不
                                       //明白为什么长5，宽4的结果不是20，而是16.
                                       //所以正方形不能代替长方形。即正方形不能
                                       //继承自长方形的子类
    return 0;
}

 //2. 改进的继承关系——符合LSP原则

#include <stdio.h>

//抽象的四方形类
class QuadRangle
{   
public:
    //将四方形抽象出公共部分出来
    virtual long getArea() = 0;     //面积
    virtual long getPerimeter() = 0;//周长
};

//长方形类(继承自抽象的四方形类)
class Rectangle : public QuadRangle
{
private:
    long width;
    long height;
public:
    Rectangle(long width, long heigth)
    {
        this->width = width;
        this->height = heigth;
    }
    
    void setWidth(long width){this->width = width;}
    long getWidth(){return this->width;}
    
    void setHeight(long height){this->height = height;}
    long getHeight(){return this->height;}
    
    long getArea(){return width * height;}
    long getPerimeter(){return (width + height) * 2;}
};

//正方形类(继承自抽象的四方形类)
class Square : public QuadRangle
{
    long side;
public:
    Square(long side) {this->side = side;}
    
    void setSide(long side);
    long getSide(){return this->side;}
    long getPerimeter(){return 4 * side;}
    long getArea(){return side * side;}
};

int main()
{
    //LSP原则：父类出现的地方必须能用子类替换
    QuadRangle* q = new Rectangle(5, 4); //Rectangle* q = new Rectangle(5, 4);或Square *q = new Square(5);
       
    printf("Area = %d, Perimeter = %d\n",q->getArea(), q->getPerimeter()); 
    
    return 0;
}

2.2 LSP原则的4层含义

（1）子类必须实现父类中声明的所有方法。

　　①步枪、手枪和机关枪都继承于AbstractGun，因此都实现了shoot（射击）的功能。

　　②玩具枪不能直接继承于AbstractGun。因为玩具枪不能去实现父类的shoot功能（即子类不能完全实现父类的方法，违反LSP原则），否则这样的武器拿给士兵去杀敌会闹笑话。因此，ToyGun不能继承于AbstractGun，而是继承于AbstracToy，然后去仿真枪的行为。这样对于士兵类来讲，因要求传入的是AbstactGun类的对象，所以不能使用玩具手枪杀人。

（2）子类可以扩展功能，但不能改变父类原有的功能

　　①子类可以有自己的属性和操作。因此，里氏替换原则只能正着用，不能返过来用。即子类出现的地方，父类未必就可以替换。如Snipper类的killEnemy方法中不能传入Rifle类的对象，因为Rifle类中没有zoomOut的方法。

　　②父类向下转换是不安全的，可能会调用到只有在子类中出现的方法而造出异常。

（3）子类可以实现父类的抽象方法，但一般不要覆盖父类的非抽象方法。

（4）如果覆盖或实现父类方法时，方法的前置条件（即方法的形参）要比父类方法的输入参数更宽松。方法的后置条件（即方法的返回值）要比父类更严格

　　①子类只能使用相等或更宽松的前置条件来替换父类的前置条件。当相等时表示覆盖，不同时表示重载。

　　为什么只能放大？因为父类方法的参数类型相对较小，所以当传入父类方法的参数类型（或更窄类型）时，重载时将优先匹配父类的方法，而子类的重载方法不会匹配，因此保证了仍执行父类的方法，所以业务逻辑不变（对于C++而言，父子类之间的同名函数发生隐藏而不是重载，因父类的函数被隐藏，当用子类替换父类时，永远调用不到父类的函数，LSP将无法被遵守）。若是覆盖时，必须清楚其逻辑要义，因为覆盖时子类的方法会被执行）

　　②只能使用相等或更强的后置条件来替换父类的后置条件。即返回值应该是父类返回值的子类或更小。

　　如果是重载，由于前置条件的要求，会调用到父类的函数，因此子类函数不会被调用

　　如果是覆盖，则调用子类的函数，这时子类的返回值（S类型）比父类要求的小（T类型），这是被允许的，因为父类调用函数的时候，返回值至少是T类型，而子类的返回值S（类型小），给T类型的变量赋值是合法的。

　　Father F = ClassF.Func();//;用子类替换时Father F = ClassC.Func()是合法的

【编程实验】前置条件和后置条件

#include <stdio.h>

class Shape
{  
};

class Rectangle : public Shape
{
    
};

class Father
{
public:
    virtual void drawShape(Shape s) //
    {
        printf("Father:drawShape(Shape s)\n");
    }
    
    virtual void showShape(Rectangle r) //
    {
        printf("Father:ShowShape(Rectangle r)\n");       
    }
    
    Shape CreateShape()
    {
        Shape s;
        printf("Father: Shape CreateShape()");
        return s;
    }
};

class Son : public Father
{
public:

    //对于C++而言，重载只能发生在同一作用域。显示Son和Father是不同作用域
    //所以，下面发生的是隐藏，而不是重载！因此，当使用子类时，不管下列
    //函数中的形参是否比父类更严格，只要同名，父类virtual一律被隐藏。

    //子类的形参类型比父类更严格
    virtual void drawShape(Rectangle r)  
    {
        printf("Son:drawShape(Rectangle r)\n");        
    } 
    
    //子类的形参类型比父类严宽松
    virtual void showShape(Shape s)
    {
        printf("Son:showShape(Shape s)\n");        
    }   

    //返回值类型比父类严格
    Rectangle CreateShape()
    {
        Rectangle r;
        printf("Son: Rectangle CreateShape()");
        
        return r;
    } 
};

int main()
{
    //当遵循LSP原则时，使用父类地方都可以用子类替换

    //Father* f = new Father(); //该行可用子类替换    
    Son* f = new Son(); //用子类替换父类出现的地方

    Rectangle r;
    
    //子类形参类型更严格时，下一行输出结果会发生变化，不符合LSP原则
    f->drawShape(r); //Father类型的f时，调用父类的drawShape(Shape s)
                     //Son类型的f时，发生隐藏，会匹配子类的drawShape
    
    //子类形参类型更宽松时，对于C++而言，会因发生隐藏而不符合LSP原则。但Java发生重载，会符合LSP
    f->showShape(r); //Father类型的f时，直接匹配父类的showShape(Rectangle r)
                     //Son类型的f时，因发生隐藏，会匹配子类的showShape(Shape s)
                  
    //子类的返回值类型更严格
    Shape s = f->CreateShape(); //替换为子类时，返回值为Rectangle，比Shape类型小，这种赋值是合法的
    
    delete f;
    
    return 0;
}