在上两节课中,我们学习了 SOLID 原则中的单一职责原则和开闭原则,这两个原则都比较重要,想要灵活应用也比较难,需要你在实践中多加练习、多加体会。今天,我们再来学习 SOLID 中的“L”对应的原则:里式替换原则。

整体上来讲,这个设计原则是比较简单、容易理解和掌握的。今天我主要通过几个反例,带你看看,哪些代码是违反里式替换原则的?我们该如何将它们改造成满足里式替换原则?除此之外,这条原则从定义上看起来,跟我们之前讲过的“多态”有点类似。所以,我今天也会讲一下,它跟多态的区别。

话不多说,让我们正式开始今天的学习吧!

如何理解“里式替换原则”?

里式替换原则的英文翻译是:Liskov Substitution Principle,缩写为 LSP。这个原则最早是在 1986 年由 Barbara Liskov 提出,他是这么描述这条原则的:

If S is a subtype of T, then objects of type T may be replaced with objects of type S, without breaking the program。

在 1996 年,Robert Martin 在他的 SOLID 原则中,重新描述了这个原则,英文原话是这样的:

Functions that use pointers of references to base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it。

我们综合两者的描述,将这条原则用中文描述出来,是这样的:子类对象(object of subtype/derived class)能够替换程序(program)中父类对象(object of base/parent class)出现的任何地方,并且保证原来程序的逻辑行为(behavior)不变及正确性不被破坏。

这么说还是比较抽象,我们通过一个例子来解释一下。如下代码中,父类 Transporter 使用 org.apache.http 库中的 HttpClient 类来传输网络数据。子类 SecurityTransporter 继承父类 Transporter,增加了额外的功能,支持传输 appId 和 appToken 安全认证信息。

public class Transporter {
  private HttpClient httpClient;

  public Transporter(HttpClient httpClient) {
    this.httpClient = httpClient;
  }
  public Response sendRequest(Request request) {
    // ...use httpClient to send request
  }
}
public class SecurityTransporter extends Transporter {
  private String appId;
  private String appToken;
  public SecurityTransporter(HttpClient httpClient, String appId, String appToken) {
    super(httpClient);
    this.appId = appId;
    this.appToken = appToken;
  }
  @Override
  public Response sendRequest(Request request) {
    if (StringUtils.isNotBlank(appId) && StringUtils.isNotBlank(appToken)) {
      request.addPayload("app-id", appId);
      request.addPayload("app-token", appToken);
    }
    return super.sendRequest(request);
  }
}
public class Demo {    
  public void demoFunction(Transporter transporter) {    
    Reuqest request = new Request();
    //... 省略设置 request 中数据值的代码...
    Response response = transporter.sendRequest(request);
    //... 省略其他逻辑...
  }
}
// 里式替换原则
Demo demo = new Demo();
demo.demofunction(new SecurityTransporter(/* 省略参数 */););

在上面的代码中,子类 SecurityTransporter 的设计完全符合里式替换原则,可以替换父类出现的任何位置,并且原来代码的逻辑行为不变且正确性也没有被破坏。

不过,你可能会有这样的疑问,刚刚的代码设计不就是简单利用了面向对象的多态特性吗?多态和里式替换原则说的是不是一回事呢?从刚刚的例子和定义描述来看,里式替换原则跟多态看起来确实有点类似,但实际上它们完全是两回事。为什么这么说呢?

我们还是通过刚才这个例子来解释一下。不过,我们需要对 SecurityTransporter 类中 sendRequest() 函数稍加改造一下。改造前,如果 appId 或者 appToken 没有设置,我们就不做校验;改造后,如果 appId 或者 appToken 没有设置,则直接抛出 NoAuthorizationRuntimeException 未授权异常。改造前后的代码对比如下所示:

// 改造前:
public class SecurityTransporter extends Transporter {
  //... 省略其他代码..
  @Override
  public Response sendRequest(Request request) {
    if (StringUtils.isNotBlank(appId) && StringUtils.isNotBlank(appToken)) {
      request.addPayload("app-id", appId);
      request.addPayload("app-token", appToken);
    }
    return super.sendRequest(request);
  }
}
// 改造后:
public class SecurityTransporter extends Transporter {
  //... 省略其他代码..
  @Override
  public Response sendRequest(Request request) {
    if (StringUtils.isBlank(appId) || StringUtils.isBlank(appToken)) {
      throw new NoAuthorizationRuntimeException(...);
    }
    request.addPayload("app-id", appId);
    request.addPayload("app-token", appToken);
    return super.sendRequest(request);
  }
}

在改造之后的代码中,如果传递进 demoFunction() 函数的是父类 Transporter 对象,那 demoFunction() 函数并不会有异常抛出,但如果传递给 demoFunction() 函数的是子类 SecurityTransporter 对象,那 demoFunction() 有可能会有异常抛出。尽管代码中抛出的是运行时异常(Runtime Exception),我们可以不在代码中显式地捕获处理,但子类替换父类传递进 demoFunction 函数之后,整个程序的逻辑行为有了改变。

虽然改造之后的代码仍然可以通过 Java 的多态语法,动态地用子类 SecurityTransporter 来替换父类 Transporter,也并不会导致程序编译或者运行报错。但是,从设计思路上来讲,SecurityTransporter 的设计是不符合里式替换原则的。

好了,我们稍微总结一下。虽然从定义描述和代码实现上来看,多态和里式替换有点类似,但它们关注的角度是不一样的。多态是面向对象编程的一大特性,也是面向对象编程语言的一种语法。它是一种代码实现的思路。而里式替换是一种设计原则,是用来指导继承关系中子类该如何设计的,子类的设计要保证在替换父类的时候,不改变原有程序的逻辑以及不破坏原有程序的正确性。

哪些代码明显违背了 LSP?

实际上,里式替换原则还有另外一个更加能落地、更有指导意义的描述,那就是“Design By Contract”,中文翻译就是“按照协议来设计”。

看起来比较抽象,我来进一步解读一下。子类在设计的时候,要遵守父类的行为约定(或者叫协议)。父类定义了函数的行为约定,那子类可以改变函数的内部实现逻辑,但不能改变函数原有的行为约定。这里的行为约定包括:函数声明要实现的功能;对输入、输出、异常的约定;甚至包括注释中所罗列的任何特殊说明。实际上,定义中父类和子类之间的关系,也可以替换成接口和实现类之间的关系。

为了更好地理解这句话,我举几个违反里式替换原则的例子来解释一下。

1. 子类违背父类声明要实现的功能

父类中提供的 sortOrdersByAmount() 订单排序函数,是按照金额从小到大来给订单排序的,而子类重写这个 sortOrdersByAmount() 订单排序函数之后,是按照创建日期来给订单排序的。那子类的设计就违背里式替换原则。

2. 子类违背父类对输入、输出、异常的约定

在父类中,某个函数约定:运行出错的时候返回 null;获取数据为空的时候返回空集合(empty collection)。而子类重载函数之后,实现变了,运行出错返回异常(exception),获取不到数据返回 null。那子类的设计就违背里式替换原则。

在父类中,某个函数约定,输入数据可以是任意整数,但子类实现的时候,只允许输入数据是正整数,负数就抛出,也就是说,子类对输入的数据的校验比父类更加严格,那子类的设计就违背了里式替换原则。

在父类中,某个函数约定,只会抛出 ArgumentNullException 异常,那子类的设计实现中只允许抛出 ArgumentNullException 异常,任何其他异常的抛出,都会导致子类违背里式替换原则。

3. 子类违背父类注释中所罗列的任何特殊说明

父类中定义的 withdraw() 提现函数的注释是这么写的:“用户的提现金额不得超过账户余额……”,而子类重写 withdraw() 函数之后,针对 VIP 账号实现了透支提现的功能,也就是提现金额可以大于账户余额,那这个子类的设计也是不符合里式替换原则的。

以上便是三种典型的违背里式替换原则的情况。除此之外,判断子类的设计实现是否违背里式替换原则,还有一个小窍门,那就是拿父类的单元测试去验证子类的代码。如果某些单元测试运行失败,就有可能说明,子类的设计实现没有完全地遵守父类的约定,子类有可能违背了里式替换原则。

实际上,你有没有发现,里式替换这个原则是非常宽松的。一般情况下,我们写的代码都不怎么会违背它。所以,只要你能看懂我今天讲的这些,这个原则就不难掌握,也不难应用。

重点回顾

今天的内容到此就讲完了。我们来一块总结回顾一下,你需要掌握的重点内容。

里式替换原则是用来指导,继承关系中子类该如何设计的一个原则。理解里式替换原则,最核心的就是理解“design by contract,按照协议来设计”这几个字。父类定义了函数的“约定”(或者叫协议),那子类可以改变函数的内部实现逻辑,但不能改变函数原有的“约定”。这里的约定包括:函数声明要实现的功能;对输入、输出、异常的约定;甚至包括注释中所罗列的任何特殊说明。

理解这个原则,我们还要弄明白里式替换原则跟多态的区别。虽然从定义描述和代码实现上来看,多态和里式替换有点类似,但它们关注的角度是不一样的。多态是面向对象编程的一大特性,也是面向对象编程语言的一种语法。它是一种代码实现的思路。而里式替换是一种设计原则,用来指导继承关系中子类该如何设计,子类的设计要保证在替换父类的时候,不改变原有程序的逻辑及不破坏原有程序的正确性。

课堂讨论

把复杂的东西讲简单,把简单的东西讲深刻,都是比较难的事情。而里式替换原则存在的意义可以说不言自喻,非常简单明确,但是越是这种不言自喻的道理,越是难组织成文字或语言来描述,有点儿只可意会不可言传的意思,所以,今天的课堂讨论的话题是:请你有条理、有深度地讲一讲里式替换原则存在的意义。

最后修改日期: 2023年2月12日

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