从零开始学习Java设计模式 | 软件设计原则篇：里氏代换原则

Posted 2021-12-28 李阿昀

在本讲中，我来为大家介绍一下软件设计原则里面的第二个原则，即里氏代换原则。

概述

首先，大家应该知道，里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。那什么是里氏代换原则呢？里氏代换原则是指任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。这句话不好理解，但大家可以通俗理解成子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。现在，这句话就好理解很多了，指的就是在Java里面通常都会有父子类的关系，一般而言，我们都会将子类中的功能抽取到父类中，以提高代码的复用性，而在子类中，我们只需要去定义子类特有的功能即可。

换句话说，子类继承父类时，除添加新的方法完成新增功能外，尽量不要重写父类的方法。为什么呢？因为如果通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性就会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的概率会非常大。

你想啊，要是在父类中已经声明了一个方法，而你又在子类中再进行了一个重写，那么在父类中定义的方法是不是就没有任何意义了？如果说父类定义规则，要求子类必须重写，那么在父类中只需要定义成抽象的方法就可以了。

经过我上面的描述，相信大家对里氏代换原则有了一个简单的认识。接下来，我就为大家介绍里氏替换原则中的一个经典的案例，即正方形不是长方形。

案例

案例分析

在数学领域里，正方形毫无疑问是长方形，它是一个长宽相等的长方形。所以，如果我们要开发一个与几何图形相关的软件系统的话，那么就可以顺理成章的让正方形继承自长方形了。

请看一下下面这张类图。

可以看到，这张类图里面有三个类，第一个是长方形类，长方形类里面有两个成员变量，一个是length，表示长，一个是width，表示宽，而且它里面还提供了相应的getter和setter方法，相对来说，这个类还是很简单的，比较好理解。

第二个是长方形类的子类，即正方形类，该类要重写父类中设置长和宽的这两个方法。为什么要重写呢？因为正方形里面的长和宽是相等的。

以上两个类介绍完之后，再来看最后一个类，即测试类，在测试类中应该提供这么几个方法：

• 主方法：这里面我没有写出来
• resize方法：扩宽方法。长方形里面的宽是要比长小的，如果宽比长小的话，那么我们就可以通过该方法来进行判断，然后再将宽给它扩长，直到比长大就OK了
• 打印长和宽的方法：该方法只是为了更好的看到效果而已

注意了，在resize方法和打印长和宽的这两个方法里面，还需要传递一个长方形类型的参数，也就是说测试类其实是依赖于长方形类的，所以它俩之间是一个依赖关系。

把以上这三个类以及依赖关系理清楚了之后，接下来我们就要编写代码来实现这个案例了。

案例实现

打开咱们的maven工程，然后在com.meimeixia.principles包下创建一个子包，即demo2，接着在com.meimeixia.principles.demo2包下再创建一个子包，即before，我们首次是在该包下来存放咱们编写的代码的。接下来，我们就要正式开始编写代码来实现以上案例了。

首先，在com.meimeixia.principles.demo2.before包下新建第一个类，即长方形类，名字可取做Rectangle。

package com.meimeixia.principles.demo2.before;

/**
 * 长方形类
 * @author liayun
 * @create 2021-05-27 13:26
 */
public class Rectangle 
    private double length;
    private double width;

    public double getLength() 
        return length;
    

    public void setLength(double length) 
        this.length = length;
    

    public double getWidth() 
        return width;
    

    public void setWidth(double width) 
        this.width = width;
    

然后，新建第二个类，即正方形类，名字可取做Square，记住要让该类去继承长方形类，并重写父类中设置长和宽的方法。那么应该如何去重写呢？很简单，就拿重写父类中设置长的setLength方法来说，我们只需要调用父类中的设置长和宽的方法把方法中的length参数设置给长和宽即可，因为长和宽必须保持一致。当然，重写父类中设置长的setWidth方法也是同理。

package com.meimeixia.principles.demo2.before;

/**
 * 正方形类
 * @author liayun
 * @create 2021-05-27 13:32
 */
public class Square extends Rectangle 

    @Override
    public void setLength(double length) 
        super.setLength(length);
        super.setWidth(length);
    

    @Override
    public void setWidth(double width) 
        super.setLength(width);
        super.setWidth(width);
    

接着，我们就要编写测试类了，名字就叫RectangleDemo。根据我们上面的分析，相信你一定能写出下面的代码，只不过现在还未在主方法中编写测试代码。

package com.meimeixia.principles.demo2.before;

/**
 * @author liayun
 * @create 2021-05-27 13:42
 */
public class RectangleDemo 

    public static void main(String[] args) 
        // 测试代码...
    

    // 扩宽方法
    public static void resize(Rectangle rectangle) 
        // 判断宽如果比长小，那么则进行扩宽的操作
        while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) 
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        
    

    // 打印长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) 
        System.out.println(rectangle.getLength());
        System.out.println(rectangle.getWidth());
    

紧接着，在主方法中编写如下代码进行测试。

package com.meimeixia.principles.demo2.before;

/**
 * @author liayun
 * @create 2021-05-27 13:42
 */
public class RectangleDemo 

    public static void main(String[] args) 
        // 创建长方形对象
        Rectangle r = new Rectangle();
        // 设置长和宽
        r.setLength(20);
        r.setWidth(10);
        // 调用resize方法进行扩宽
        resize(r);
        printLengthAndWidth(r);
    

    // 扩宽方法
    public static void resize(Rectangle rectangle) 
        // 判断宽如果比长小，那么则进行扩宽的操作
        while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) 
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        
    

    // 打印长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) 
        System.out.println(rectangle.getLength());
        System.out.println(rectangle.getWidth());
    

这时，我们不妨来运行一下以上测试类，看看打印结果是啥？如下图所示，可以看到长是20，没变，宽是21，因为我们进行了一个扩宽的操作，此时，宽已经比长大了。

如果我像下面这样向resize方法中传入一个正方形类型的对象，那么可不可以呢？

package com.meimeixia.principles.demo2.before;

/**
 * @author liayun
 * @create 2021-05-27 13:42
 */
public class RectangleDemo 

    public static void main(String[] args) 
        // 创建长方形对象
        Rectangle r = new Rectangle();
        // 设置长和宽
        r.setLength(20);
        r.setWidth(10);
        // 调用resize方法进行扩宽
        resize(r);
        printLengthAndWidth(r);

        System.out.println("=============================");
        // 创建正方形对象
        Square s = new Square();
        // 设置长和宽
        s.setLength(10);
        // 调用resize方法进行扩宽
        resize(s);
        printLengthAndWidth(s);
    

    // 扩宽方法
    public static void resize(Rectangle rectangle) 
        // 判断宽如果比长小，那么则进行扩宽的操作
        while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) 
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        
    

    // 打印长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) 
        System.out.println(rectangle.getLength());
        System.out.println(rectangle.getWidth());
    

从语法上来说是可以的，因为正方形是属于长方形的子类的，所以传递子类对象完全是可以的。

这时，我们再来运行一下测试类，看一下打印结果是什么，如下图所示，你会发现等了好久，结果却什么都没有打印出来。

难道是我们程序出现问题了吗？其实不是，你注意看以上控制台中的那个红色按钮，这表明程序还没有结束，它还在一直执行，为什么会出现这种现象呢？下面我就为大家解释一下其原因。

运行以上测试类中代码，你就会发现，假如我们把一个普通长方形对象作为参数传入resize方法中的话，是会看到长方形的宽度逐渐增长的效果的，当宽度大于长度时，代码就会停止，这种行为的结果符合我们的预期；假如我们再把一个正方形对象作为参数传入resize方法的话，就会看到正方形的宽度和长度都在不断增长，因为长和宽要保持一致，这是正方形的一个特点，那么代码就会一直运行下去，直至系统产生溢出错误为止。

所以，普通的长方形是适合这段代码的，而正方形不适合。而里氏代换原则又是指基类能使用的地方，那么子类也可以使用，因此很显然这违背了这一原则。

于是，我们可以得出这样一个结论：在resize方法中，Rectangle类型的参数是不能被其子类Square类型的参数所代替的，如果进行了替换就得不到预期结果。因此，Square类和Rectangle类之间的继承关系违反了里氏代换原则，它们之间的继承关系不成立，正方形不是长方形。

那么如何改进呢？下面我们再说。

案例改进

初步实现以上正方形不是长方形的案例之后，相信你也看到了其所在的问题，即违反了里氏代换原则。那么应该如何对该案例进行改进呢？

首先，我们要对类以及类和类之间的关系进行重新设计，重新设计出来的类图应该是下面这个样子的。

对于正方形和长方形而言，我们向上抽取，抽取出来一个四边形接口（即Quadrilateral），并在这个接口里面定义两个抽象的方法，一个是getLength，一个是getWidth，分别用于获取长和宽，然后让Rectangle类和Square类实现Quadrilateral接口；从以上类图中可以看到，我们还在Square类里面定义了一个名字为side的成员变量，也即正方形的边长，而且在该类里面，除了提供该成员变量的getter和setter方法之外，我们还重写了Quadrilateral接口里面的抽象方法；至于Rectangle类，依旧还是原先的设计，该类是没有任何变化的。

最后，大家不要忘了，还有一个测试类（即RectangleDemo），该测试类是没有成员变量的，只有如下三个方法：

• 主方法：这里面我没有声明出来，主要作测试用
• resize方法：扩宽方法。注意，该方法需要的是一个长方形类型的对象，正方形类型的对象此时是不能传入进来的
• printLengthAndWidth方法：打印长和宽的方法。注意，该方法需要传递的是一个Quadrilateral接口的子实现类对象

这样一路分析下来，你就会发现该测试类不仅得依赖Quadrilateral接口，还得依赖Rectangle类。至此，我就给大家分析完以上类图了，接下来，我们就得编写代码来实现以上改进后的案例了。

首先，在com.meimeixia.principles.demo2包下再创建一个子包，即after，该包下存放的就是改进后的案例的代码。

然后，我们再创建一个四边形接口。

package com.meimeixia.principles.demo2.after;

/**
 * 四边形接口
 * @author liayun
 * @create 2021-05-27 14:27
 */
public interface Quadrilateral 

    // 获取长
    double getLength();

    // 获取宽
    double getWidth();

接着，再来创建咱们的正方形类，注意了，该类是要去实现四边形接口的，这样，我们还必须得重写其中的方法。此外，在该类里面我们还得声明一个表示边长的成员变量，当然还得提供其对应的getter和setter方法。

package com.meimeixia.principles.demo2.after;

/**
 * 正方形类
 * @author liayun
 * @create 2021-05-27 14:32
 */
public class Square implements Quadrilateral 
    private double side;

    public double getSide() 
        return side;
    

    public void setSide(double side) 
        this.side = side;
    

    @Override
    public double getLength() 
        return side;
    

    @Override
    public double getWidth() 
        return side;
    

紧接着，再来创建咱们的长方形类，同理，该类也得实现四边形接口，重写其里面的抽象方法。

package com.meimeixia.principles.demo2.after;

/**
 * 长方形类
 * @author liayun
 * @create 2021-05-27 14:37
 */
public class Rectangle implements Quadrilateral 
    private double length;
    private double width;

    public void setLength(double length) 
        this.length = length;
    

    public void setWidth(double width) 
        this.width = width;
    

    @Override
    public double getLength() 
        return length;
    

    @Override
    public double getWidth() 
        return width;
    

最后，我们再来创建一个测试类。根据我们上面对类图的分析，相信你一定能写出下面的代码。

package com.meimeixia.principles.demo2.after;

/**
 * @author liayun
 * @create 2021-05-27 14:49
 */
public class RectangleDemo 

    public static void main(String[] args) 
        // 创建长方形对象
        Rectangle r = new Rectangle();
        // 设置长和宽
        r.setLength(20);
        r.setWidth(10);
        // 调用方法进行扩宽操作
        resize(r);
        printLengthAndWidth(r);
    


    // 扩宽的方法
    public static void resize(Rectangle rectangle) 
        // 判断宽如果比长小，那么则进行扩宽的操作
        while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) 
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        
    

    // 打印长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Quadrilateral quadrilateral) 
        System.out.println(quadrilateral.getLength());
        System.out.println(quadrilateral.getWidth());
    

此时，不妨来运行一下以上测试类，看看打印结果是不是我们所想要的，如下图所示，可以看到长是20，没变，宽是21，因为我们进行了一个扩宽的操作。

大家现在想一想，如果我们去调用resize方法时传入的是一个正方形对象，那么还可不可以呢？肯定是不可以的，因为正方形和长方形它俩现在没有父子关系了，所以在resize方法里面只能传递长方形对象，而不能再传递正方形对象了。这样，我们就通过以上改进完美的解决了案例之前所存在的问题。