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软件工程:里氏替换原则(LSP)

admin
2023年7月12日 8:53 本文热度 457

在软件工程中,里氏替换原则(Liskov Substitution Principle,LSP)是面向对象设计中的一条基本原则。

在软件涉众中正确的实践里氏替换原则,可以实现工程代码的高内聚、低耦合,也可以减少代码的重复性和冗余性。

今天我们结合具体案例,来聊聊里氏替换原则(LSP)的概念和相关的实践。

Part1什么是LSP

里氏替换原则(Liskov Substitution Principle,LSP)是面向对象设计中的一条基本原则,由Barbara Liskov在1987年提出。

该原则指出:如果S是T的子类型,那么在所有使用T类型的地方,都可以替换成S类型而不会影响程序的正确性。

换言之:一个子类型应该能够完全替代其父类型,并且在使用时不会出现任何错误或异常。

里氏替换原则是实现面向对象程序设计中多态性的基础,其目的是提高软件系统的可扩展性、可重用性和可维护性。

通过遵循里氏替换原则,可以实现代码的高内聚、低耦合,减少代码的重复性和冗余性,提高代码的复用性和可读性。

Part2代码案例

以下是一个Java代码的示例,演示了里氏替换原则的实际应用。

假设我们正在开发一个游戏,其中有不同类型的角色,每个角色都有自己的攻击方式。

我们定义了一个Character抽象类作为所有角色的父类,其中包含了attack()方法。

Warrior、Wizard和Archer是Character的子类,它们分别实现了不同的攻击方式。

我们还定义了Game类,用于初始化角色并进行游戏。

类图结构如下:

classDiagram
   class Character {
       -health : int
       -strength : int
       +attack(target: Character) : void
       .. 其他方法 ..
   }
   class Warrior {
       +attack(target: Character) : void
   }
   class Wizard {
       +attack(target: Character) : void
   }
   class Archer {
       +attack(target: Character) : void
   }
   class Game {
       -characters : List<Character>
       +Game()
       +play() : void
   }

   Character <|-- Warrior
   Character <|-- Wizard
   Character <|-- Archer
   Game --> Character


具体的代码如下:

// 角色抽象类
abstract class Character {
    protected int health;
    protected int strength;

    public abstract void attack(Character target);

    // ... 其他方法 ...
}

// 战士角色
class Warrior extends Character {
    public void attack(Character target) {
        // 使用近战攻击
        System.out.println("Warrior attacks " + target.getClass().getSimpleName() + " with a sword.");
    }
}

// 法师角色
class Wizard extends Character {
    public void attack(Character target) {
        // 使用魔法攻击
        System.out.println("Wizard attacks " + target.getClass().getSimpleName() + " with magic.");
    }
}

// 弓箭手角色
class Archer extends Character {
    public void attack(Character target) {
        // 使用远程攻击
        System.out.println("Archer attacks " + target.getClass().getSimpleName() + " with a bow.");
    }
}

// 游戏类
class Game {
    private List<Character> characters;

    public Game() {
        characters = new ArrayList<>();
        characters.add(new Warrior());
        characters.add(new Wizard());
        characters.add(new Archer());
    }

    public void play() {
        for (Character character : characters) {
            // 让每个角色攻击其他角色
            for (Character target : characters) {
                if (character != target) {
                    character.attack(target);
                }
            }
        }
    }
}

Part3最佳的实践

里氏替换原则的最佳实践方法包括以下几点:

  • 子类必须完全实现父类的方法,而不是简单地重写或忽略父类的某些方法。这可以确保在替换父类对象时,子类的行为不会产生意外的副作用。

  • 子类可以扩展父类的方法,但不能改变父类的原有行为。这意味着子类可以在父类方法的基础上添加一些新的行为,但不能修改父类的实现方式。

  • 子类的方法的输入参数必须与父类的方法相同或更宽松。这意味着子类的方法可以接受更多类型的参数,但不能限制父类方法的输入参数。

  • 子类的方法的输出结果必须与父类的方法相同或更严格。这意味着子类的方法可以返回更具体的类型,但不能返回更抽象或更泛化的类型。

  • 抽象类或接口应该尽可能地简单,不应该包含太多方法和属性,以便于子类实现。这可以确保子类不需要实现太多无关的方法和属性。

  • 尽量使用抽象类和接口来定义类型,而不是使用具体类。 这样可以避免在子类中使用具体类的实现细节。

通过遵循这些最佳实践方法,可以确保代码遵循里氏替换原则,提高代码的可扩展性、可维护性和可重用性。

Part4常见反模式

里氏替换原则的常见反模式包括:

  • 重载父类方法:在子类中重载了父类的方法,但是改变了方法的行为,导致子类无法完全替代父类。此时应该重新定义一个新的方法,而不是重载父类的方法。

  • 强制类型转换:在子类中进行强制类型转换,使得父类和子类之间耦合性增强,违反了LSP原则。

  • 违反先决条件:子类中的方法违反了父类中方法的先决条件,导致父类定义的约束条件被破坏,例如子类中的参数类型、个数或范围与父类方法不一致。

  • 子类违反父类约定:子类重写父类方法的行为与父类约定的不一致,违反了父类的契约,例如在子类中返回值类型比父类更严格或更宽松,或抛出异常类型与父类不同。

  • 依赖其他组件:子类在实现父类的方法时,依赖了其他组件的特定实现,从而增加了子类和其他组件之间的耦合性,违反了LSP原则。

避免这些反模式的方法是遵循LSP原则,确保子类可以无缝替换父类,并且在重写父类方法时,不改变方法的约定和行为,只能扩展方法的功能。此外,应该避免在子类中添加额外的约束条件或前提条件,以确保子类的方法与父类方法的行为相同。

Part5最后

诸如以上案例和实践建议,里氏替换原则是面向对象设计中非常重要的一条原则。

在软件工程中,里氏替换原则是实现多态性和高内聚、低耦合的基础。

有效的遵循该原则可以提高软件系统的可扩展性、可重用性和可维护性,为构建高质量的软件系统打下坚实的基础。


该文章在 2023/7/12 8:53:51 编辑过
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