利斯科夫替换原理

(固体)

继承子类型化

维基里斯科夫替换原理(LSP)

在子类型中不能加强先决条件。 后置条件不能在子类型中减弱。 超类型的不变量必须保留在子类型中。

子类型不应该要求调用者提供比超类型更多的(先决条件) 子类型不应该为小于超类型的调用者公开(后置条件)

*前置条件+后置条件=函数(方法)类型[Swift函数类型。Swift函数与方法

//Swift function
func foo(parameter: Class1) -> Class2

//function type
(Class1) -> Class2

//Precondition
Class1

//Postcondition
Class2

例子

//C3 -> C2 -> C1

class C1 {}
class C2: C1 {}
class C3: C2 {}

前提条件(如。函数参数类型)可以相同或更弱(力求-> C1) 后置条件(如。函数返回类型)可以相同或更强(力求-> C3) 超类型的不变变量[About]应该保持不变

斯威夫特

class A {
    func foo(a: C2) -> C2 {
        return C2()
    }
}

class B: A {
    override func foo(a: C1) -> C3 {
        return C3()
    }
}

Java

class A {
    public C2 foo(C2 a) {
        return new C2();
    }
}

class B extends A {
    @Override
    public C3 foo(C2 a) { //You are available pass only C2 as parameter
        return new C3();
    }
}

行为子类型化

维基里斯科夫替换原理(LSP)

子类型中方法参数类型的逆变性。子类型中方法返回类型的协方差。 子类型中的方法不能引发新的异常，除非它们是超类型的方法引发的异常的子类型。

[方差，协方差，逆变，不变性]

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。

我建议您阅读这篇文章:违反利斯科夫替换原则(LSP)。

你可以在那里找到一个解释，什么是利斯科夫替换原则，一般线索帮助你猜测你是否已经违反了它，一个方法的例子，将帮助你使你的类层次结构更安全。

一些补充:我想知道为什么没有人写基类的不变量、前提条件和后置条件，这些派生类必须遵守。 对于派生类D来说，基类B完全可转换，类D必须服从某些条件:

基类的内变体必须由派生类保留 派生类不能加强基类的先决条件 派生类不能削弱基类的后置条件。

因此派生类必须知道基类施加的上述三个条件。因此，子类型的规则是预先确定的。这意味着，只有当子类型遵守某些规则时，才应该遵守'IS A'关系。这些规则，以不变量、前置条件和后置条件的形式，应该由正式的“设计契约”来决定。

关于这个问题的进一步讨论可以在我的博客:利斯科夫替换原理

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。

---

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);
}

---

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。

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 :(
    }
}

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