一、定義：里氏替換原則

1.1 里氏替換原則

• 里氏替換原則：Liskov Substitution Principle，LSP。
  • 如果 S 是 T 的子類型，那么所有 T 類型的對象都可以在不破壞程序的情況下被 S 類型的對象替換。
  • 簡單來說：子類可以擴展父類的功能，但不能改變父類原有的功能。
  • 也就是說：當子類繼承父類時，除添加新的方法且完成新增功能外，盡量不要重寫父類的方法。
    • 子類可以實現(xiàn)父類的抽象方法，但不能覆蓋父類的非抽象方法。
    • 子類可以增加自己特有的方法。
    • 當子類的方法重載父類的方法時，方法的前置條件（即方法的輸入?yún)?shù)）要比父類的方法更寬松。
    • 當子類的方法實現(xiàn)父類的方法（重寫、重載或?qū)崿F(xiàn)抽象方法）時，方法的后置條件（即方法的輸出或返回值）要比父類的方法更嚴格或與父類的方法相等。

1.2 里氏替換原則的作用

• 里氏替換原則是實現(xiàn)開閉原則的重要方式之一。
• 解決了繼承中重寫父類造成的可復用性變差的問題。
• 是動作正確性的保證，即類的擴展不會給已有的系統(tǒng)引入新的錯誤，降低了代碼出錯的可能性。
• 加強程序的健壯性，同時變更時可以做到非常好的兼容性，提高程序的維護性、可擴展性，降低需求變更時引入的風險。

二、模擬場景：里氏替換原則

• 我們會使用各種類型的銀行卡，例如儲蓄卡、信用卡，還有一些其他特性的銀行卡。
  • 儲蓄卡和信用卡都具備一定的消費功能，但又有一些不同。例如信用卡不宜提現(xiàn)，如果提現(xiàn)可能會產(chǎn)生高額的利息。
• 模擬場景：假設在構(gòu)建銀行系統(tǒng)時，儲蓄卡是第一個類，信用卡是第二個類。
• 為了讓信用卡可以使用儲蓄卡的一些方法，選擇由信用卡類繼承儲蓄卡類，討論是否滿足里氏替換原則產(chǎn)生的一些要點。

三、違背方案：里氏替換原則

• 儲蓄卡和信用卡在使用功能上類似，都有支付、提現(xiàn)、還款、充值等功能，但有些許不同。
  • 例如支付：儲蓄卡做的是賬戶扣款動作，信用卡做的是生成貸款單動作。

3.1 工程結(jié)構(gòu)

design-1.3-0
|——src|——main|--java|--com.lino.design|--CashCard.java|--CreditCard.java|——test|--java|--com.lino.design.test|--ApiTest.java

3.2 儲蓄卡和信用卡

3.2.1 儲蓄卡

CashCard.java

package com.lino.design;import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.math.BigDecimal;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;/*** @description: 模擬儲蓄卡功能*/
public class CashCard {private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(CashCard.class);/*** 提現(xiàn)** @param orderId 單號* @param amount  金額* @return 狀態(tài)碼 0000成功、0001失敗、0002重復*/public String withdrawal(String orderId, BigDecimal amount) {// 模擬支付成功logger.info("提現(xiàn)成功，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);return "0000";}/*** 儲值** @param orderId 單號* @param amount  金額* @return 狀態(tài)碼 0000成功、0001失敗、0002重復*/public String recharge(String orderId, BigDecimal amount) {// 模擬充值成功logger.info("儲值成功，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);return "0000";}/*** 交易流水查詢** @return 交易流水*/public List<String> tradeFlow() {logger.info("交易流水查詢成功");List<String> tradeList = new ArrayList<>();tradeList.add("100001,100.00");tradeList.add("100001,80.00");tradeList.add("100001,76.50");tradeList.add("100001,126.00");return tradeList;}
}

• 在儲蓄卡的功能實現(xiàn)中包括了三個方法：提現(xiàn)、儲蓄、交易流水查詢，這些是模擬儲蓄卡的基本功能。

3.2.2 信用卡

CreditCard.java

package com.lino.design;import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.math.BigDecimal;
import java.util.List;/*** @description: 模擬信用卡功能*/
public class CreditCard extends CashCard {private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(CreditCard.class);@Overridepublic String withdrawal(String orderId, BigDecimal amount) {// 校驗if (amount.compareTo(new BigDecimal(1000)) >= 0) {logger.info("貸款金額校驗(限額1000元)，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);return "0001";}// 模擬生成貸款單logger.info("生成貸款單，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);// 模擬支付成功logger.info("貸款成功，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);return "0000";}@Overridepublic String recharge(String orderId, BigDecimal amount) {// 模擬生成還款單logger.info("生成還款單，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);// 模擬還款成功logger.info("還款成功，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);return "0000";}@Overridepublic List<String> tradeFlow() {return super.tradeFlow();}}

• 信用卡的功能實現(xiàn)是在繼承了儲蓄卡類后，進行方法重學：支付 withdrawal()、還款 recharge()。交易流水可以復用，不用重寫這個類。
• 這種繼承父類方式的優(yōu)點是復用了父類的核心功能邏輯，但是也破壞了原有的方法。
  • 此時繼承父類實現(xiàn)的信用卡類并不滿足里氏替換原則，也就是說，此時的子類不能承擔原父類的功能，直接給儲蓄卡使用。

3.3 單元測試

3.3.1 儲蓄卡測試

ApiTest.java

@Test
public void test_CashCard() {CashCard cashCard = new CashCard();// 提現(xiàn)cashCard.withdrawal("100001", new BigDecimal(100));// 儲蓄cashCard.recharge("100001", new BigDecimal(100));// 交易流水List<String> tradeFlow = cashCard.tradeFlow();logger.info("查詢交易流水：{}", JSON.toJSONString(tradeFlow));
}

測試結(jié)果

10:58:28.027 [main] INFO  com.lino.design.CashCard - 提現(xiàn)成功，單號：100001 金額：100
10:58:28.031 [main] INFO  com.lino.design.CashCard - 儲值成功，單號：100001 金額：100
10:58:28.031 [main] INFO  com.lino.design.CashCard - 交易流水查詢成功
10:58:28.169 [main] INFO  com.lino.design.test.ApiTest - 查詢交易流水：["100001,100.00","100001,80.00","100001,76.50","100001,126.00"]

3.3.2 信用卡測試

ApiTest.java

@Test
public void test_CreditCard() {CreditCard creditCard = new CreditCard();// 支付creditCard.withdrawal("100001", new BigDecimal(100));// 還款creditCard.recharge("100001", new BigDecimal(100));// 交易流水List<String> tradeFlow = creditCard.tradeFlow();logger.info("查詢交易流水：{}", JSON.toJSONString(tradeFlow));
}

測試結(jié)果

10:59:23.970 [main] INFO  com.lino.design.CreditCard - 生成貸款單，單號：100001 金額：100
10:59:23.970 [main] INFO  com.lino.design.CreditCard - 貸款成功，單號：100001 金額：100
10:59:23.970 [main] INFO  com.lino.design.CreditCard - 生成還款單，單號：100001 金額：100
10:59:23.970 [main] INFO  com.lino.design.CreditCard - 還款成功，單號：100001 金額：100
10:59:23.970 [main] INFO  com.lino.design.CashCard - 交易流水查詢成功
10:59:24.003 [main] INFO  com.lino.design.test.ApiTest - 查詢交易流水：["100001,100.00","100001,80.00","100001,76.50","100001,126.00"]

四、改善代碼：里氏替換原則

4.1 工程結(jié)構(gòu)

design-1.3-1
|——src|——main|--java|--com.lino.design|--BandCard.java|--CashCard.java|--CreditCard.java|——test|--java|--com.lino.design.test|--ApiTest.java

4.2 銀行卡：儲蓄卡和信用卡

• 儲蓄卡和信用卡在功能使用上有些許類似，在實際的開發(fā)過程中也有很多共同可復用的屬性及邏輯。
• 實現(xiàn)這樣的類的最好方式是提取出一個抽象類，由抽象類定義所有卡的共用核心屬性、邏輯，把卡的支付和還款等動作抽象成正向和逆向操作。

4.2.1 抽象銀行卡類

BandCard.java

package com.lino.design;import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.math.BigDecimal;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;/*** @description: 銀行卡*/
public abstract class BandCard {private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(BandCard.class);/*** 卡號*/private String cardNo;/*** 開卡時間*/private String cardDate;public BandCard(String cardNo, String cardDate) {this.cardNo = cardNo;this.cardDate = cardDate;}/*** 金額判斷規(guī)則** @param amount 金額* @return 是否符合規(guī)則*/abstract boolean rule(BigDecimal amount);/*** 正向入賬：+錢** @param orderId 單號* @param amount  金額* @return 狀態(tài)碼*/public String positive(String orderId, BigDecimal amount) {// 入款成功，存款、還款logger.info("卡號{} 入款成功：單號：{} 金額：{}", cardNo, orderId, amount);return "0000";}/*** 逆向入賬：-錢** @param orderId 單號* @param amount  金額* @return 狀態(tài)碼*/public String negative(String orderId, BigDecimal amount) {// 出款成功，支付、貸款logger.info("卡號{} 出款成功：單號：{} 金額：{}", cardNo, orderId, amount);return "0000";}/*** 交易流水查詢** @return 交易流水*/public List<String> tradeFlow() {logger.info("交易流水查詢成功");List<String> tradeList = new ArrayList<>();tradeList.add("100001,100.00");tradeList.add("100001,80.00");tradeList.add("100001,76.50");tradeList.add("100001,126.00");return tradeList;}public String getCardNo() {return cardNo;}public String getCardDate() {return cardDate;}
}

• 在抽象銀行卡類中，提供了基本的卡屬性，包括卡號、開卡時間及三個核心方法。
  • 正向入賬，加錢；逆向入賬，減錢；交易流水查詢；

4.2.2 儲蓄卡

CashCard.java

package com.lino.design;import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.math.BigDecimal;/*** @description: 模擬儲值卡功能*/
public class CashCard extends BandCard {private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(CashCard.class);public CashCard(String cardNo, String cardDate) {super(cardNo, cardDate);}@Overrideboolean rule(BigDecimal amount) {return true;}/*** 提現(xiàn)** @param orderId 單號* @param amount  金額* @return 狀態(tài)碼 0000成功、0001失敗、0002重復*/public String withdrawal(String orderId, BigDecimal amount) {// 模擬支付成功logger.info("提現(xiàn)成功，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);return super.negative(orderId, amount);}/*** 儲值** @param orderId 單號* @param amount  金額* @return 狀態(tài)碼 0000成功、0001失敗、0002重復*/public String recharge(String orderId, BigDecimal amount) {// 模擬充值成功logger.info("儲值成功，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);return super.positive(orderId, amount);}/*** 風險校驗** @param cardNo  卡號* @param orderId 單號* @param amount  金額* @return 狀態(tài)碼*/public boolean checkRisk(String cardNo, String orderId, BigDecimal amount) {// 模擬風控校驗logger.info("風控校驗：卡號：{} 單號：{} 金額：{}", cardNo, orderId, amount);return true;}
}

• 儲蓄卡類中繼承抽象銀行卡父類 BandCard，實現(xiàn)的核心功能包括規(guī)則過濾 rule、提現(xiàn) withdrawal、儲蓄 recharge 和新增的擴展方法，即風控校驗 checkRisk。
• 這樣的實現(xiàn)方式滿足了里氏替換的基本原則，即實現(xiàn)抽象類的抽象方法，又沒有破壞父類中的原有方法。

4.2.2 信用卡

CreditCard.java

package com.lino.design;import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.math.BigDecimal;/*** @description: 信用卡*/
public class CreditCard extends CashCard {private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(CreditCard.class);public CreditCard(String cardNo, String cardDate) {super(cardNo, cardDate);}boolean rule2(BigDecimal amount) {return amount.compareTo(new BigDecimal(1000)) <= 0;}/*** 提現(xiàn)，信用卡貸款** @param orderId 單號* @param amount  金額* @return 狀態(tài)碼*/public String loan(String orderId, BigDecimal amount) {boolean rule = rule2(amount);// 校驗if (!rule) {logger.info("生成貸款單失敗，金額超限。單號：{} 金額：{}", orderId, amount);return "0001";}// 模擬生成貸款單logger.info("生成貸款單，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);// 模擬支付成功logger.info("貸款成功，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);return super.negative(orderId, amount);}/*** 還款，信用卡還款** @param orderId 單號* @param amount  金額* @return 狀態(tài)碼*/public String repayment(String orderId, BigDecimal amount) {// 模擬生成還款單logger.info("生成還款單，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);// 模擬還款成功logger.info("還款成功，單號：{} 金額：{}", orderId, amount);return super.positive(orderId, amount);}
}

• 信用卡類在繼承父類后，使用了公用的屬性，即卡號 cardNo、開卡時間 cardDate，同時新增了符合信用卡功能的新方法，即貸款 loan、還款 repayment，并在兩個方法中都使用了抽象類的核心功能。
• 另外，關于儲蓄卡中的規(guī)則校驗方法，新增了自己的規(guī)則方法 rule2，并沒有破壞儲蓄卡中的校驗方法。
• 以上的實現(xiàn)方式都是在遵循里氏替換原則下完成的，子類隨時可以替換儲蓄卡類。

4.3 單元測試

4.3.1 里氏替換測試

ApiTest.java

@Test
public void test_bandCard() {logger.info("里氏替換前，CashCard類：");CashCard bandCard = new CashCard("6214567800989876", "2022-12-14");// 提現(xiàn)bandCard.withdrawal("100001", new BigDecimal(100));// 儲蓄bandCard.recharge("100001", new BigDecimal(100));logger.info("里氏替換后，CreditCard類：");CashCard creditCard = new CreditCard("6214567800989876", "2022-12-14");// 提現(xiàn)creditCard.withdrawal("100001", new BigDecimal(1000000));// 儲蓄creditCard.recharge("100001", new BigDecimal(100));
}

測試結(jié)果

11:16:03.817 [main] INFO  com.lino.design.test.ApiTest - 里氏替換前，CashCard類：
11:16:03.817 [main] INFO  com.lino.design.CashCard - 提現(xiàn)成功，單號：100001 金額：100
11:16:03.817 [main] INFO  com.lino.design.BandCard - 卡號6214567800989876 出款成功：單號：100001 金額：100
11:16:03.817 [main] INFO  com.lino.design.CashCard - 儲值成功，單號：100001 金額：100
11:16:03.817 [main] INFO  com.lino.design.BandCard - 卡號6214567800989876 入款成功：單號：100001 金額：100
11:16:03.817 [main] INFO  com.lino.design.test.ApiTest - 里氏替換后，CreditCard類：
11:16:03.817 [main] INFO  com.lino.design.CashCard - 提現(xiàn)成功，單號：100001 金額：1000000
11:16:03.817 [main] INFO  com.lino.design.BandCard - 卡號6214567800989876 出款成功：單號：100001 金額：1000000
11:16:03.817 [main] INFO  com.lino.design.CashCard - 儲值成功，單號：100001 金額：100
11:16:03.817 [main] INFO  com.lino.design.BandCard - 卡號6214567800989876 入款成功：單號：100001 金額：100

4.3.2 信用卡測試

ApiTest.java

@Test
public void test_CreditCard() {CreditCard creditCard = new CreditCard("6214567800989876", "2022-12-14");// 支付，貸款creditCard.loan("100001", new BigDecimal(100));// 還款creditCard.repayment("100001", new BigDecimal(100));
}

測試結(jié)果

11:13:03.042 [main] INFO  com.lino.design.CreditCard - 生成貸款單，單號：100001 金額：100
11:13:03.042 [main] INFO  com.lino.design.CreditCard - 貸款成功，單號：100001 金額：100
11:13:03.042 [main] INFO  com.lino.design.BandCard - 卡號6214567800989876 出款成功：單號：100001 金額：100
11:13:03.042 [main] INFO  com.lino.design.CreditCard - 生成還款單，單號：100001 金額：100
11:13:03.042 [main] INFO  com.lino.design.CreditCard - 還款成功，單號：100001 金額：100
11:13:03.042 [main] INFO  com.lino.design.BandCard - 卡號6214567800989876 入款成功：單號：100001 金額：100

• 通過以上的測試結(jié)果可以看到，儲蓄卡功能正常，繼承儲蓄卡實現(xiàn)的信用卡功能也正常。
• 同時，原有儲蓄卡類的功能可以由信用卡類支持，即 CashCard creditCard = new CreditCard()。

五、總結(jié)：里氏替換原則

• 繼承作為面向?qū)ο蟮闹匾卣?#xff0c;雖然給程序開發(fā)帶來了非常大的便利，但也引入了一些弊端。
  • 繼承的開發(fā)方式會給代碼帶來侵入性，可移植能力降低，類之間的耦合度較高。
  • 當對父類修改時，就要考慮一整套子類的實現(xiàn)是否由風險，測試成本較高。
• 里氏替換原則的目的是使用約定的方式，讓使用繼承后的代碼具備良好的擴展性和兼容性。
  • 在日常開發(fā)中使用繼承的地方并不多，在代碼規(guī)范中也不會允許多層繼承，尤其是一些核心服務的擴展。
  • 而繼承多數(shù)用在系統(tǒng)架構(gòu)初期定義好的邏輯上或抽象出的核心功能里。
  • 如果使用了繼承，就一定要遵從里氏替換原則，否則會讓代碼出現(xiàn)問題的概率變得更大。