每经编辑｜陈艳艳    

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里氏替换原(yuan)则(ze)：继承(cheng)的“忠诚度(du)”考验

想象一下(xia)，你精(jing)心搭(da)建(jian)了(le)一个精密(mi)的积(ji)木王国，每一个(ge)积木块(kuai)都(dou)代表一(yi)个类(lei)。继承，就(jiu)像(xiang)是(shi)给(gei)积(ji)木块(kuai)赋予(yu)了“血(xue)统(tong)”，让(rang)子(zi)类(lei)继(ji)承父类(lei)的优(you)点(dian)。但(dan)如果(guo)有(you)一天，你(ni)发(fa)现一个(ge)本应乖乖(guai)待在原(yuan)位(wei)的积(ji)木块，因为被“继(ji)承”了某种(zhong)“特性(xing)”，结果(guo)不(bu)小心推(tui)倒了整(zheng)个王国(guo)，那可就麻(ma)烦了(le)！里(li)氏(shi)替(ti)换(huan)原(yuan)则(ze)（LiskovSubstitutionPrinciple，简(jian)称(cheng)LSP）正是(shi)为(wei)了(le)避免这种(zhong)“坑爹(die)”的继承而诞生(sheng)的(de)。

简单来(lai)说，里(li)氏(shi)替(ti)换原则(ze)就(jiu)是(shi)：“任何父(fu)类可(ke)以被其(qi)子(zi)类替(ti)换，并(bing)且(qie)程序逻(luo)辑不受影响(xiang)。”这(zhe)句话(hua)听起(qi)来(lai)似(shi)乎很简(jian)单(dan)，但它(ta)对我(wo)们(men)设计继(ji)承(cheng)关系有着(zhe)深(shen)远(yuan)的影响。它要(yao)求我们在设计(ji)继承(cheng)时，必(bi)须保(bao)证子(zi)类不仅继承了(le)父(fu)类的“形(xing)态(tai)”（属性和方法(fa)），更(geng)继(ji)承了父类(lei)的“神”（行为和(he)约(yue)束）。

子类(lei)不能(neng)随(sui)意“叛变”，做(zuo)出与(yu)父(fu)类(lei)行为相悖的事(shi)情。

举个例(li)子，我(wo)们(men)有(you)一(yi)个(ge)“鸟”的(de)父类，它有(you)一个(ge)fly()方法。如(ru)果(guo)我(wo)们(men)设计一(yi)个(ge)“企鹅”类继(ji)承(cheng)“鸟”类，并(bing)让“企(qi)鹅”也拥有fly()方(fang)法(fa)，那问题(ti)就来了。企(qi)鹅(e)不(bu)会(hui)飞！如果我(wo)们的(de)程(cheng)序中有(you)这样一个(ge)逻辑(ji)：“让所有鸟类(lei)飞(fei)起来”，那(na)么(me)当(dang)遇(yu)到(dao)企鹅(e)时，就会(hui)出现运(yun)行时(shi)错(cuo)误(wu)，或者产生(sheng)预(yu)料之外的行为(wei)。

这就(jiu)是违反了(le)里(li)氏替换(huan)原则(ze)。

如何(he)才(cai)能遵(zun)循(xun)里氏替换原则(ze)呢？

设(she)计清晰的父类契约。父类应该定义(yi)清(qing)晰(xi)的、可预期的行(xing)为规范(fan)。例(li)如，“鸟(niao)”类可以定义“会(hui)移(yi)动(dong)”和“会(hui)发(fa)声(sheng)”等通(tong)用行(xing)为，但fly()方法可能(neng)就需(xu)要(yao)更(geng)谨慎地处理，或(huo)者(zhe)根本(ben)不(bu)应该(gai)放在(zai)“鸟”这个过(guo)于宽泛的(de)父类(lei)中(zhong)。

子类实(shi)现父(fu)类的行(xing)为时，必须(xu)尊重父类的(de)约(yue)束。这意(yi)味(wei)着(zhe)子类(lei)在重(zhong)写父类方法时(shi)，不能比(bi)父(fu)类的(de)方法(fa)更严(yan)格(ge)，也不能(neng)比父类(lei)的方法(fa)更宽松。例(li)如，如果父(fu)类方法要(yao)求传(chuan)入一(yi)个非负(fu)整数，子(zi)类(lei)方法(fa)就(jiu)不能(neng)接(jie)受(shou)负(fu)整(zheng)数(shu)。如(ru)果父类方法保(bao)证不会(hui)抛出特(te)定的(de)异常，子类(lei)重写(xie)该方(fang)法时(shi)也不(bu)能抛(pao)出这(zhe)个异(yi)常。

再(zai)者，避免在(zai)子(zi)类(lei)中添(tian)加不(bu)兼(jian)容(rong)的方(fang)法。如(ru)果子(zi)类需要增加新的功(gong)能，最(zui)好通过组(zu)合（Composition）而(er)不是继承(cheng)来(lai)实(shi)现，或者(zhe)为(wei)这些新功能(neng)设(she)计新的(de)方(fang)法，而(er)不是覆(fu)盖(gai)父(fu)类(lei)中已(yi)有的(de)、行(xing)为(wei)不(bu)兼容的(de)方(fang)法。

遵循(xun)里(li)氏替(ti)换(huan)原(yuan)则，能够极大(da)地增(zeng)强(qiang)我们代(dai)码的(de)可(ke)维(wei)护(hu)性(xing)和(he)健壮(zhuang)性。当(dang)我(wo)们看(kan)到一(yi)个父类引用指向一(yi)个子类(lei)对象时(shi)，我(wo)们(men)可以自信(xin)地认(ren)为，无论这个对(dui)象(xiang)是(shi)父类(lei)的实例还(hai)是任(ren)何一(yi)个遵循LSP的(de)子(zi)类实例(li)，它的行为(wei)都是可以(yi)预测的(de)，我们(men)的(de)代码不(bu)会(hui)因为(wei)“换了个马(ma)甲(jia)”就出(chu)问题(ti)。

这(zhe)就像(xiang)是给你(ni)的代码(ma)上了(le)“保(bao)险”，让它(ta)在面对未来需(xu)求变化(hua)时(shi)，少(shao)一些(xie)“惊吓”，多(duo)一些“惊喜(xi)”。

里氏(shi)替换(huan)原则(ze)，是继(ji)承这条路(lu)上的“交通(tong)规(gui)则”。它不(bu)是限制我们发挥创(chuang)意，而(er)是引(yin)导我(wo)们建(jian)立更稳(wen)固(gu)、更可靠的(de)“家族体系”。有(you)了它(ta)，继(ji)承才能(neng)真正(zheng)成(cheng)为代(dai)码(ma)复(fu)用(yong)的利器(qi)，而不是隐藏(cang)的“定时炸弹(dan)”。

多态：代码的“变(bian)形金刚”艺术

如(ru)果(guo)说里(li)氏替换(huan)原则是确(que)保继(ji)承(cheng)关(guan)系的“忠诚(cheng)”，那么多态(tai)（Polymorphism）就是(shi)让这些“忠诚(cheng)”的(de)继承(cheng)者(zhe)们(men)施展(zhan)“十八般武(wu)艺”的(de)舞台(tai)。多(duo)态，顾名(ming)思(si)义(yi)，就(jiu)是“多(duo)种形态(tai)”。在面向对(dui)象编程中(zhong)，它(ta)指的是(shi)允许(xu)使用(yong)父(fu)类(lei)类型的引(yin)用来(lai)指向子(zi)类(lei)对象，并且(qie)在运(yun)行时(shi)能(neng)够根据(ju)对象(xiang)的实(shi)际(ji)类(lei)型(xing)调(diao)用(yong)相应(ying)的(de)方法。

想(xiang)象一(yi)下，你有一(yi)个遥控(kong)器(qi)，这(zhe)个遥(yao)控器可以(yi)控制不同(tong)种类的电器。你(ni)按下(xia)“开(kai)关”按钮(niu)，如果是(shi)电(dian)视，它(ta)就打开屏幕；如(ru)果是(shi)音响，它就(jiu)播放(fang)音乐(le)。遥控(kong)器本身(shen)只需要知道(dao)“有开(kai)关(guan)”这(zhe)个功能，而不需(xu)要关(guan)心具(ju)体是(shi)哪(na)种电器。这就(jiu)是多(duo)态的(de)魅力(li)。

多(duo)态的核(he)心在于“动态(tai)绑(bang)定”或(huo)“运行时绑(bang)定(ding)”。在(zai)程(cheng)序编译时，我(wo)们可能只知(zhi)道一(yi)个(ge)变(bian)量的(de)类(lei)型是父类(lei)，但它(ta)实(shi)际(ji)指向的对(dui)象(xiang)可(ke)能是(shi)父类(lei)本身，也(ye)可能是(shi)它的(de)某个(ge)子类。直到(dao)程(cheng)序运行(xing)时，JVM（Java虚(xu)拟机(ji)）或者(zhe)CLR（.NET公共语(yu)言运行(xing)库）等运(yun)行(xing)时环境，才(cai)会(hui)根据变量实(shi)际(ji)引用的(de)对象类(lei)型(xing)，去查(cha)找并调用真正(zheng)应该(gai)执行(xing)的(de)方(fang)法。

多(duo)态带(dai)来的(de)好(hao)处是显而易见的：

1.降低(di)代码(ma)耦合度，提高灵(ling)活性：通过(guo)多(duo)态(tai)，我们(men)可以编写(xie)更加通(tong)用(yong)的(de)代(dai)码。比如，一个处(chu)理“动(dong)物”的函数(shu)，可以接(jie)收(shou)任何(he)继承自(zi)“动(dong)物”的(de)子类(lei)对象(xiang)（如“猫(mao)”、“狗”），并调用(yong)它们(men)的makeSound()方法(fa)，而不需(xu)要(yao)知道(dao)具体(ti)的(de)动物(wu)种类(lei)。这(zhe)样(yang)，当我们(men)添加新的动(dong)物类型时(shi)，原(yuan)有的处理函数无(wu)需(xu)修改(gai)，就(jiu)能自动(dong)适应新的类型。

2.增(zeng)强(qiang)代(dai)码的(de)可(ke)扩展性：新(xin)增(zeng)子类(lei)不(bu)会(hui)影响(xiang)现有(you)代码(ma)的(de)运(yun)行，因为现有代(dai)码(ma)是通过父类(lei)接口或抽(chou)象类进(jin)行交互(hu)的。这使(shi)得系(xi)统(tong)更容易扩(kuo)展，也更容易(yi)维(wei)护。

3.实(shi)现代(dai)码(ma)的简洁和(he)优雅(ya)：省(sheng)去了(le)大量的(de)if-else或switch-case语(yu)句(ju)来判(pan)断(duan)对(dui)象类型，让代码更加(jia)清晰(xi)、简洁，读(du)起来也(ye)更顺(shun)畅(chang)。

多(duo)态的(de)实(shi)现(xian)方式(shi)主要(yao)有几种：

方(fang)法重(zhong)写（Overriding）：子(zi)类继承父类(lei)后(hou)，对父类中已经(jing)定义(yi)好的(de)方法(fa)进(jin)行(xing)重(zhong)新(xin)实现(xian)。这是(shi)实现(xian)运(yun)行(xing)时(shi)多(duo)态最常见的方(fang)式(shi)。接口（Interface）：接口定(ding)义了(le)一(yi)组方法(fa)签名，但不(bu)提供实现(xian)。不同(tong)的类(lei)可以(yi)实现(xian)同一个接(jie)口，并各自(zi)提供方(fang)法(fa)的具体实(shi)现。

通过(guo)接(jie)口引(yin)用指(zhi)向实(shi)现该(gai)接口(kou)的对(dui)象(xiang)，也能实(shi)现多(duo)态。抽(chou)象类(lei)（AbstractClass）：抽象(xiang)类(lei)可(ke)以包(bao)含抽(chou)象方法(fa)（没(mei)有实(shi)现）和具体方法(fa)。子类(lei)继(ji)承抽象(xiang)类后，必须实现(xian)其(qi)所有(you)抽(chou)象(xiang)方(fang)法。

里氏(shi)替(ti)换(huan)原(yuan)则和多(duo)态，二(er)者(zhe)相(xiang)辅(fu)相成，缺一(yi)不(bu)可(ke)。里(li)氏(shi)替换(huan)原则(ze)为(wei)多(duo)态的实现提供(gong)了前(qian)提条件：只有当(dang)子类(lei)能够(gou)无缝(feng)地替(ti)换父(fu)类时(shi)，我们才能(neng)放心(xin)地通过父(fu)类引(yin)用来调(diao)用(yong)子类的方法，而(er)不会(hui)出现(xian)意外。可以(yi)说(shuo)，里氏替(ti)换原(yuan)则是“静态(tai)”的规则，它(ta)指导(dao)我们(men)如何设计正确(que)的继承关(guan)系(xi)；而多态(tai)则是“动态(tai)”的体现，它(ta)让这种正(zheng)确的继承关系在运行时焕发(fa)活力。

当我(wo)们将里(li)氏(shi)替换原则和多态结(jie)合起来(lai)应用时，我们的(de)代码就(jiu)能实现真正(zheng)的(de)“形神(shen)合一”。对象(xiang)的“形(xing)”（具体(ti)类型）虽然(ran)可(ke)以(yi)变化(hua)，但其“神(shen)”（行为和(he)约定(ding)）却始(shi)终遵(zun)循(xun)着(zhe)父(fu)类(lei)的(de)规(gui)范。这使(shi)得(de)我们的程序不(bu)仅易于理解(jie)，而且具(ju)有(you)强大的生命(ming)力，能(neng)够轻(qing)松应对(dui)未来的各种(zhong)挑战(zhan)。

所(suo)以，下次(ci)当你考虑(lv)继承(cheng)时，不妨多问一句：我(wo)的(de)子(zi)类真(zhen)的能够“忠(zhong)诚”地(di)扮演父类的角(jiao)色吗(ma)？也要(yao)积极(ji)拥(yong)抱多(duo)态(tai)，让你(ni)的代码(ma)像(xiang)一位(wei)技艺精湛的演员，能(neng)够根(gen)据角(jiao)色需(xu)求，灵(ling)活地(di)演绎(yi)出(chu)最精(jing)彩(cai)的“多种形态(tai)”！

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图片来源：每经记者 陈濛 摄

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