设计模式：里氏代换原则 - 继承设计的稳定之道

news2025/4/13 8:12:18

里氏代换原则（Liskov Substitution Principle, LSP）作为面向对象设计的基石之一，为我们提供了解决之道。它指导我们如何构建高扩展性和低维护成本的继承体系，避免代码行为不一致导致的混乱和错误。

一、错误的继承设计如何毁掉系统？

继承是面向对象设计的核心特性，但错误的继承设计会带来诸多问题：

• 子类篡改父类功能，导致父类逻辑异常；

• 接口不兼容，破坏多态性；

• 系统不稳定，甚至程序崩溃。

二、里氏代换原则-稳定代码的基石

里氏代换原则的核心思想是：子类必须能够替换掉他们的父类，并且保证系统行为不发生改变。

换句话说，继承关系中的子类必须完全遵守父类的契约，不能违背父类的行为预期。

这一原则表面上看似简单，但在实际开发中，常常被忽略甚至误解，导致代码可读性差、维护成本高、扩展性低。

案例分析

我们通过反例和正例来直观理解这一原则。

反例：不符合里氏代换原则的设计

场景：设计一个Bird类，让企鹅（Penguin）继承它。因企鹅不会飞，导致设计问题。

// 父类 Bird
public class Bird {
   //父类定义的通用行为：假设所有鸟类都能飞。 
    public void fly() {
        System.out.println("Flying...");
    }
}

// 子类 Penguin -继承Bird 类
public class Penguin extends Bird {
    /**
     * 重写父类的 fly 方法，但抛出了异常。
     */
    @Override
    public void fly() {
        throw new UnsupportedOperationException("Penguins can't fly!");
    }
}

// 测试代码
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Bird bird = new Bird();
        bird.fly(); // 输出：Flying...

        Bird penguin = new Penguin();
        // 输出：抛出异常：UnsupportedOperationException: Penguins can't fly!
        penguin.fly();
    }
}

问题分析：

1.行为不一致

父类Bird假设所有鸟类都可以飞，但企鹅重写了fly方法并抛出异常，破坏了行为一致性。

2.违反多态性

调用者无法保证Bird类型变量的fly方法正常运行，破坏了多态的可靠性。

3.设计问题

将“飞行”强行定义在Bird类中，使得企鹅继承了不适合自身特性的功能。

正例：符合里氏代换原则的设计

为解决上述问题，重新设计父类 Bird。

// 抽象类 Bird
public abstract class Bird {
    /**
     * 定义鸟类的通用行为接口：移动方式
     * 子类需按自身特性实现移动方式（飞行、游泳等）。
     */
    public abstract void move();
}

// 会飞的鸟类 - FlyingBird
public class FlyingBird extends Bird {
    /**
     * 实现通用的移动行为：飞行
     * FlyingBird 表示所有能飞的鸟类。
     */
    @Override
    public void move() {
        System.out.println("Flying...");
    }
}

// 企鹅类 - Penguin
public class Penguin extends Bird {
    /**
     * 实现通用的移动行为：游泳
     * Penguin 表示不会飞的鸟类，但具备游泳能力。
     */
    @Override
    public void move() {
        System.out.println("Swimming...");
    }
}

// 测试代码
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 会飞的鸟类实例
        Bird sparrow = new FlyingBird();
        sparrow.move(); // 输出: Flying...

        // 企鹅类实例
        Bird penguin = new Penguin();
        penguin.move(); // 输出: Swimming...
    }
}