六大设计原则之里氏替换原则（Liskov Substitution Principle）

定义

In a computer program, if S is a subtype of T, then objects of type T may be replaced with objects of type S (i.e. an object of type T may be substituted with any object of a subtype S) without altering any of the desirable properties of the program (correctness, task performed, etc.)

即：所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象，也就是说子类对象可以替换其父类对象，而程序执行效果不变。

定义的解读

在继承体系中，子类中可以增加自己特有的方法，也可以实现父类的抽象方法，但是不能重写父类的非抽象方法，否则该继承关系就不是一个正确的继承关系。

优点

可以检验继承使用的正确性，约束继承在使用上的泛滥。

代码讲解

在这里用一个简单的长方形与正方形的例子讲解一下里氏替换原则。

需求点

创建两个类：长方形和正方形，都可以设置宽高（边长），也可以输出面积大小。

不好的设计

首先声明一个长方形类，然后让正方形类继承于长方形。

长方形类：

//================== Rectangle.h ==================

@interface Rectangle : NSObject
{
@protected double _width;
@protected double _height;
}

//设置宽高
- (void)setWidth:(double)width;
- (void)setHeight:(double)height;

//获取宽高
- (double)width;
- (double)height;

//获取面积
- (double)getArea;

@end

//================== Rectangle.m ==================

@implementation Rectangle

- (void)setWidth:(double)width{
    _width = width;
}

- (void)setHeight:(double)height{
    _height = height;
}

- (double)width{
    return _width;
}

- (double)height{
    return _height;
}

- (double)getArea{
    return _width * _height;
}

@end

正方形类：

//================== Square.h ==================

@interface Square : Rectangle
@end

//================== Square.m ==================

@implementation Square

- (void)setWidth:(double)width{

    _width = width;
    _height = width;
}

- (void)setHeight:(double)height{

    _width = height;
    _height = height;
}

@end

可以看到，正方形类继承了长方形类以后，为了保证边长永远是相等的，特意在两个set方法里面强制将宽和高都设置为传入的值，也就是重写了父类Rectangle的两个set方法。但是里氏替换原则里规定，子类不能重写父类的方法，所以上面的设计是违反该原则的。

而且里氏替换原则原则里面所属：子类对象能够替换父类对象，而程序执行效果不变。我们通过一个例子来看一下上面的设计是否符合：

在客户端类写一个方法：传入一个Rectangle类型并返回它的面积：

- (double)calculateAreaOfRect:(Rectangle *)rect{
    return rect.getArea;
}

我们先用Rectangle对象试一下：

Rectangle *rect = [[Rectangle alloc] init];
rect.width = 10;
rect.height = 20;

double rectArea = [self calculateAreaOfRect:rect];//output:200

长宽分别设置为10，20以后，结果输出200，没有问题。

现在我们使用Rectange的子类Square的对象替换原来的Rectange对象，看一下结果如何：

Square *square = [[Square alloc] init];
square.width = 10;
square.height = 20;

double squareArea = [self calculateAreaOfRect:square];//output:400

结果输出为400，结果不一致，再次说明了上述设计不符合里氏替换原则，因为子类的对象square替换父类的对象rect以后，程序执行的结果变了。

不符合里氏替换原则就说明该继承关系不是正确的继承关系，也就是说正方形类不能继承于长方形类，程序需要重新设计。

我们现在看一下比较好的设计。

较好的设计

既然正方形不能继承于长方形，那么是否可以让二者都继承于其他的父类呢？答案是可以的。

既然要继承于其他的父类，它们这个父类肯定具备这两种形状共同的特点：有4个边。那么我们就定义一个四边形的类：Quadrangle。

//================== Quadrangle.h ==================

@interface Quadrangle : NSObject
{
@protected double _width;
@protected double _height;
}

- (void)setWidth:(double)width;
- (void)setHeight:(double)height;

- (double)width;
- (double)height;

- (double)getArea;
@end

接着，让Rectangle类和Square类继承于它：

Rectangle类：

//================== Rectangle.h ==================

#import "Quadrangle.h"

@interface Rectangle : Quadrangle

@end

//================== Rectangle.m ==================

@implementation Rectangle

- (void)setWidth:(double)width{
    _width = width;
}

- (void)setHeight:(double)height{
    _height = height;
}

- (double)width{
    return _width;
}

- (double)height{
    return _height;
}

- (double)getArea{
    return _width * _height;
}

@end

Square类：

//================== Square.h ==================

@interface Square : Quadrangle
{
    @protected double _sideLength;
}

-(void)setSideLength:(double)sideLength;

-(double)sideLength;

@end

//================== Square.m ==================

@implementation Square

-(void)setSideLength:(double)sideLength{    
    _sideLength = sideLength;
}

-(double)sideLength{
    return _sideLength;
}

- (void)setWidth:(double)width{
    _sideLength = width;
}

- (void)setHeight:(double)height{
    _sideLength = height;
}

- (double)width{
    return _sideLength;
}

- (double)height{
    return _sideLength;
}

- (double)getArea{
    return _sideLength * _sideLength;
}

@end

我们可以看到，Rectange和Square类都以自己的方式实现了父类Quadrangle的公共方法。而且由于Square的特殊性，它也声明了自己独有的成员变量_sideLength以及其对应的公共方法。

注意，这里Rectange和Square并不是重写了其父类的公共方法，而是实现了其抽象方法。

下面来看一下这两个设计的UML 类图，可以更形象地看出两种设计上的区别：

UML 类图对比

未实践里氏替换原则：

实践了里氏替换原则：


如何实践

里氏替换原则是对继承关系的一种检验：检验是否真正符合继承关系，以避免继承的滥用。因此，在使用继承之前，需要反复思考和确认该继承关系是否正确，或者当前的继承体系是否还可以支持后续的需求变更，如果无法支持，则需要及时重构，采用更好的方式来设计程序。

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