Liskov's Substitution Principle(LSP) All the time we design a program module and we create some class hierarchies. Then we extend some classes creating some derived classes. We must make sure that the new derived classes just extend without replacing the functionality of old classes. Otherwise, the new classes can produce undesired effects when they are used in existing program modules. Liskov's Substitution Principle states that if a program module is using a Base class, then the reference to the Base class can be replaced with a Derived class without affecting the functionality of the program module.

例子:

Below is the classic example for which the Liskov's Substitution Principle is violated. In the example, 2 classes are used: Rectangle and Square. Let's assume that the Rectangle object is used somewhere in the application. We extend the application and add the Square class. The square class is returned by a factory pattern, based on some conditions and we don't know the exact what type of object will be returned. But we know it's a Rectangle. We get the rectangle object, set the width to 5 and height to 10 and get the area. For a rectangle with width 5 and height 10, the area should be 50. Instead, the result will be 100

    // Violation of Likov's Substitution Principle
class Rectangle {
    protected int m_width;
    protected int m_height;

    public void setWidth(int width) {
        m_width = width;
    }

    public void setHeight(int height) {
        m_height = height;
    }

    public int getWidth() {
        return m_width;
    }

    public int getHeight() {
        return m_height;
    }

    public int getArea() {
        return m_width * m_height;
    }
}

class Square extends Rectangle {
    public void setWidth(int width) {
        m_width = width;
        m_height = width;
    }

    public void setHeight(int height) {
        m_width = height;
        m_height = height;
    }

}

class LspTest {
    private static Rectangle getNewRectangle() {
        // it can be an object returned by some factory ...
        return new Square();
    }

    public static void main(String args[]) {
        Rectangle r = LspTest.getNewRectangle();

        r.setWidth(5);
        r.setHeight(10);
        // user knows that r it's a rectangle.
        // It assumes that he's able to set the width and height as for the base
        // class

        System.out.println(r.getArea());
        // now he's surprised to see that the area is 100 instead of 50.
    }
}

结论: 这个原则只是开闭原则的延伸 意味着我们必须确保新的派生类正在扩展 基类而不改变它们的行为。

参见:开闭原则

对于更好的结构，还有一些类似的概念:约定优于配置

长话短说，让我们留下矩形矩形和正方形，实际的例子，当扩展一个父类时，你必须要么保留确切的父API，要么扩展IT。

假设您有一个基本ItemsRepository。

class ItemsRepository
{
    /**
    * @return int Returns number of deleted rows
    */
    public function delete()
    {
        // perform a delete query
        $numberOfDeletedRows = 10;

        return $numberOfDeletedRows;
    }
}

以及扩展它的子类:

class BadlyExtendedItemsRepository extends ItemsRepository
{
    /**
     * @return void Was suppose to return an INT like parent, but did not, breaks LSP
     */
    public function delete()
    {
        // perform a delete query
        $numberOfDeletedRows = 10;

        // we broke the behaviour of the parent class
        return;
    }
}

然后，您可以让客户端使用Base ItemsRepository API并依赖它。

/**
 * Class ItemsService is a client for public ItemsRepository "API" (the public delete method).
 *
 * Technically, I am able to pass into a constructor a sub-class of the ItemsRepository
 * but if the sub-class won't abide the base class API, the client will get broken.
 */
class ItemsService
{
    /**
     * @var ItemsRepository
     */
    private $itemsRepository;

    /**
     * @param ItemsRepository $itemsRepository
     */
    public function __construct(ItemsRepository $itemsRepository)
    {
        $this->itemsRepository = $itemsRepository;
    }

    /**
     * !!! Notice how this is suppose to return an int. My clients expect it based on the
     * ItemsRepository API in the constructor !!!
     *
     * @return int
     */
    public function delete()
    {
        return $this->itemsRepository->delete();
    }
} 

当用子类替换父类破坏了API的契约时，LSP就被破坏了。

class ItemsController
{
    /**
     * Valid delete action when using the base class.
     */
    public function validDeleteAction()
    {
        $itemsService = new ItemsService(new ItemsRepository());
        $numberOfDeletedItems = $itemsService->delete();

        // $numberOfDeletedItems is an INT :)
    }

    /**
     * Invalid delete action when using a subclass.
     */
    public function brokenDeleteAction()
    {
        $itemsService = new ItemsService(new BadlyExtendedItemsRepository());
        $numberOfDeletedItems = $itemsService->delete();

        // $numberOfDeletedItems is a NULL :(
    }
}

你可以在我的课程中学习更多关于编写可维护软件的知识:https://www.udemy.com/enterprise-php/

Liskov替换原理(LSP, LSP)是面向对象编程中的一个概念，它指出:

函数使用指针或 基类的引用必须是 能够使用派生类的对象 在不知不觉中。

LSP的核心是关于接口和契约，以及如何决定何时扩展一个类，还是使用另一种策略(如组合)来实现您的目标。

我所见过的说明这一点的最有效的方法是《Head First OOA&D》。它们呈现的场景是，你是一名致力于为策略游戏构建框架的项目开发者。

他们展示了一个类，它代表一个板子，看起来像这样:

所有的方法都以X和Y坐标作为参数来定位tile在二维tile数组中的位置。这将允许游戏开发者在游戏过程中管理棋盘上的单位。

这本书继续改变了要求，说游戏框架工作也必须支持3D游戏板，以适应有飞行的游戏。因此引入了一个ThreeDBoard类，它扩展了Board。

乍一看，这似乎是个不错的决定。Board提供了高度和宽度属性，ThreeDBoard提供了Z轴。

当你看到从董事会继承的所有其他成员时，它就失效了。AddUnit, GetTile, GetUnits等方法在Board类中都采用X和Y参数，但ThreeDBoard也需要Z参数。

因此，您必须使用Z参数再次实现这些方法。Z参数没有Board类的上下文，从Board类继承的方法失去了意义。试图使用ThreeDBoard类作为其基类Board的代码单元将非常不走运。

也许我们应该另想办法。ThreeDBoard应该由Board对象组成，而不是扩展Board。Z轴上每单位一个板子对象。

这允许我们使用良好的面向对象原则，如封装和重用，并且不违反LSP。

大局:

利斯科夫替换原理是什么?它是关于什么是(什么不是)给定类型的子类型。 为什么它如此重要?因为子类型和子类之间是有区别的。

例子

与其他答案不同的是，我不会从违反Liskov替换原则(LSP)开始，而是从符合LSP开始。我使用Java，但在每种OOP语言中几乎都是一样的。

圆和彩色圆

几何例子在这里似乎很流行。

class Circle {
    private int radius;

    public Circle(int radius) {
        if (radius < 0) {
            throw new RuntimeException("Radius should be >= 0");
        }
        this.radius = radius;
    }

    public int getRadius() {
        return this.radius;
    }
}

半径不允许为负。这是一个子类:

class ColoredCircle extends Circle {
    private Color color; // defined elsewhere

    public ColoredCircle(int radius, Color color) {
        super(radius);
        this.color = color;
    }

    public Color getColor() {
        return this.color;
    }
}

从LSP来看，这个子类是Circle的子类型。

LSP的状态为:

如果对于类型S的每个对象o1，都有一个类型T的对象o2，使得对于所有用T定义的程序P，当o1取代o2时，P的行为不变，那么S是T的子类型(Barbara Liskov，“数据抽象和层次结构”，SIGPLAN通知，23,5(1988年5月))。

这里，对于每个ColoredCircle实例o1，考虑Circle实例具有相同的半径o2。对于每个使用Circle对象的程序，如果您将o2替换为o1，则任何使用Circle的程序的行为在替换之后都将保持不变。(注意，这只是理论上的:使用ColoredCircle实例会比使用Circle实例更快地耗尽内存，但这与本文无关。)

我们如何根据o1求出o2 ?我们只是去掉color属性，保留radius属性。我称这个变换为o1 - >o2是CircleColor空间在Circle空间上的投影。

反例

让我们再创建一个例子来说明LSP的违反。

圆形和方形

想象一下前面Circle类的子类:

class Square extends Circle {
    private int sideSize;

    public Square(int sideSize) {
        super(0);
        this.sideSize = sideSize;
    }

    @Override
    public int getRadius() {
        return -1; // I'm a square, I don't care
    }

    public int getSideSize() {
        return this.sideSize;
    }
}

LSP违反

现在，看看这个程序:

public class Liskov {
    public static void program(Circle c) {
        System.out.println("The radius is "+c.getRadius());
    }

我们用一个Circle对象和一个Square对象测试程序。

    public static void main(String [] args){
        Liskov.program(new Circle(2)); // prints "The radius is 2"
        Liskov.program(new Square(2)); // prints "The radius is -1"
    }
}

发生了什么事?直观地说，虽然Square是Circle的一个子类，但Square不是Circle的子类型，因为没有一个常规的Circle实例的半径是-1。

形式上，这违反了利斯科夫替换原则。

我们有一个用Circle定义的程序，在这个程序中没有Circle对象可以替换新的Square(2)(顺便说一下，也没有任何Square实例)，并且保持行为不变:记住，任何Circle的半径总是正的。

子类和子类型

现在我们知道为什么子类并不总是子类型。当子类不是子类型时，即存在LSP违反时，某些程序(至少有一个)的行为并不总是预期的行为。这是非常令人沮丧的，通常被解释为一个错误。

在理想的情况下，编译器或解释器将能够检查给定的子类是否是真正的子类型，但我们并不是在理想的情况下。

静态类型

如果存在一些静态类型，则在编译时被父类签名绑定。Square.getRadius()不能返回String或List。

如果没有静态类型，如果一个参数的类型是错误的(除非类型是弱的)或参数的数量不一致(除非语言是非常允许的)，您将在运行时得到一个错误。

关于静态类型的注意:有返回类型的协方差(S的方法可以返回T的相同方法的返回类型的子类)和参数类型的逆变性(S的方法可以接受T的相同方法的相同参数的超类)的机制，这是下面解释的先决条件和后置条件的具体情况。

合同设计

有更多的。有些语言(我想到了Eiffel)提供了一种机制来强制执行LSP。

先不说确定初始对象o1的投影o2，如果用o1代替o2 if，对于任何参数x和任何方法f，我们可以期望任何程序都有相同的行为:

如果o2.f(x)是一个有效调用，那么o1.f(x)也应该是一个有效调用(1)。 o1.f(x)的结果(返回值，在控制台上显示等)应该等于o2.f(x)的结果，或者至少同样有效(2)。 o1.f(x)应该让o1处于内部状态，o2.f(x)应该让o2处于内部状态，这样下一次函数调用将确保(1)，(2)和(3)仍然有效(3)。

(注意，如果函数f是纯函数，则(3)是免费给出的。这就是为什么我们喜欢使用不可变对象。)

这些条件是关于类的语义(期望什么)，而不仅仅是类的语法。而且，这些条件非常强。但是它们可以用契约式编程设计中的断言来近似。这些断言是确保支持类型语义的一种方法。破坏契约会导致运行时错误。

前提条件定义了什么是有效的调用。当子类化一个类时，前提条件只能被削弱(S.f接受的比T.f多)(a)。 后置条件定义了什么是有效结果。当子类化一个类时，后置条件只能被加强(S.f比T.f提供更多)(b)。 不变量定义了什么是有效的内部状态。当子类化一个类时，不变量必须保持不变(c)。

我们可以大致看到，(a)保证了(1)，(b)保证了(2)，但是(c)比(3)弱。此外，断言有时难以表达。

假设一个类Counter有一个唯一的方法Counter. Counter()，该方法返回下一个整数。怎么写后置条件呢?假设一个类Random有一个方法Random.高斯()，该方法返回一个介于0.0和1.0之间的浮点数。如何编写后置条件来检查分布是否为高斯分布?这也许是可能的，但成本太高，我们将依赖于测试而不是后置条件。

结论

不幸的是，子类并不总是子类型。这可能会导致意想不到的行为——bug。

面向对象语言提供了避免这种情况的机制。首先在语法层面。在语义层面上也是如此，这取决于编程语言:可以使用断言在程序文本中编码一部分语义。但是，由您来确保子类是子类型。

还记得你什么时候开始学习OOP吗?“如果关系是is - a，那么使用继承”。另一种方式也是如此:如果使用继承，请确保关系是is - a。

LSP在比断言更高的级别上定义了什么是子类型。断言是确保LSP得到维护的有价值的工具。

关于LSP的一个很好的例子(在我最近听到的播客中，Bob叔叔给出了一个例子)是，有时候在自然语言中听起来正确的东西在代码中却不太适用。

在数学中，正方形是长方形。实际上，它是矩形的专门化。“is a”使您想用继承来建模。然而，如果在代码中你从Rectangle派生出Square，那么Square应该可以在任何你想要Rectangle的地方使用。这就导致了一些奇怪的行为。

假设你在你的Rectangle基类上有SetWidth和SetHeight方法;这似乎完全合乎逻辑。然而，如果你的矩形引用指向一个正方形，那么SetWidth和SetHeight没有意义，因为设置一个会改变另一个来匹配它。在这种情况下，Square未能通过矩形的利斯科夫替换测试，并且让Square继承Rectangle的抽象是一个糟糕的抽象。

你们都应该看看其他用励志海报解释的无价的坚实原则。

设q(x)是关于类型为T的x的对象的可证明属性，那么q(y)对于类型为S的对象y应该是可证明的，其中S是T的子类型。

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实际上，公认的答案并不是利斯科夫原理的反例。正方形自然是一个特定的矩形，因此从类矩形继承是完全有意义的。你只需要以这样的方式实现它:

@Override
public void setHeight(double height) {
   this.height = height;
   this.width = height; // since it's a square
}

@Override
public void setWidth(double width) {
   setHeight(width);
}

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所以，提供了一个很好的例子，然而，这是一个反例:

class Family:
-- getChildrenCount()

class FamilyWithKids extends Family:
-- getChildrenCount() { return childrenCount; } // always > 0

class DeadFamilyWithKids extends FamilyWithKids:
-- getChildrenCount() { return 0; }
-- getChildrenCountWhenAlive() { return childrenCountWhenAlive; }

在这个实现中，DeadFamilyWithKids不能从FamilyWithKids继承，因为getChildrenCount()返回0，而从FamilyWithKids它应该总是返回大于0的值。