里氏替換原則 (Liskov Substitution Principle)

子類別必須能夠替換父類別

里氏原則還包含了一個概念：子類別替換父類別後，不需要改變，也不會發生任何錯誤或異常。

從定義就可以看出來，這項原則是來替我們處理繼承問題的。因此，在開始本篇之前，可能需要先對 繼承 以及 多型 有基本的認識。如果可以的話，也請先看過 介面。

那麼，就讓我們從很久很久以前開始說起…

我的子類別進入叛逆期了，怎麼辦？

很久很久以前，有一間公司受到 鴿子封包 所啟發，打算發展鳥類運輸技術，強勢打入無人機市場，用生物智慧掀起對人工智慧的革命。既然鳥類都會飛行，理所當然可以藉由飛行來進行空運，甚至還可以偷偷擊墜那些無人機對手，野心勃勃的老闆立馬徵了一批鳥類物流士，打出「凡是鳥類都可應徵」的旗號，各式各樣的猛禽響應而來，一時之間掀起整個物流業的風暴！

但是好景不常，公司營運之後發貨狀況不佳，頻繁發生丟包問題，甚至有些貨根本就出不了倉庫，虧損越來越大，心急如焚的老闆下令徹查，這才發現—

企鵝是鳥，企鵝不會飛。一堆企鵝在倉庫門口發呆。

但是一切已經來不及，虧損已經造成，這家鳥禽物流公司最後也慢慢消失在塵埃之中……

這個故事告訴我們：如果子類別（企鵝）沒有達到我們對父類別（鳥）的期待，就很容易在不知不覺中出事！

我們已經預期了「鳥＝會飛行」這個前提，但繼承的企鵝卻無法實作飛行，如此就會讓我們被誤導、在使用時誤入陷阱。這種子類繼承時搞叛逆，和父類別行為相違所發生的問題，難以預期也難以察覺，絕對是我輩不能容忍的。因此，里氏替換原則就出現了。

註：感謝這篇 里氏替換原則 Liskov Substitution Principle (LSP) - Finn 的附圖，我之後就想不出比企鵝更貼切的例子了囧

所以，我們該如何遵守里氏替換原則？

我們再提一次：子類別必須要能替換掉父類別，而不需要改變。

我們在 多型篇 的時候提過「用子類別實作出各式各樣不同的方法，藉此讓父類別的方法藉此達到延伸和多樣化的效果」如此我們的物件彼此之間才能保持彈性，擁有可替換可擴充的特性，進而達到 開放封閉原則 所要求的：對修改封閉（不需要修改使用到父類別的地方），對擴展開放（而是只需要用子類別進行擴充，就能完成變動）

然而，這個擴展不該是天馬行空隨便亂擴的，必須要有原則。

最首要的就是：至少父類別能做到的事情，子類別也要能做到，不能說今天換成子類別就整組壞光光。畢竟，如果原本的東西變少了或壞掉了，那就不叫延伸了，對吧？

也就是說，一個好的擴展方式，應該能滿足這些條件：

  • 要求不應該比父類別多
  • 回饋不應該比父類別少

例如說：爸爸每天都去市場賣香蕉，一支二十，數十年間颳風下雨從未改變。某一天爸爸生病，不想打破這個傳統，就請兒子去代班。這時：

  • 熟客們知道一支是二十元，他們順路來買香蕉的時候也只會準備二十元。
    所以，兒子不能隨便亂漲價到五十元，因為客人也拿不出來，而且臨時漲價還會被留負評

  • 熟客們知道給了錢就可以拿到香蕉，他們給了錢之後就會等著老闆把香蕉給他們。
    所以，兒子不能今天收了人家二十元，然後只給半支香蕉，客人會很傻眼，攤子會很危險

這些熟客，其實就是我們工程師。我們預期了這個函式或類別需要準備的輸入參數，也預期了應該要有的輸出結果。如果某一天替換了子類別，卻不是這麼一回事，就會發生很多意料外的錯誤。對買香蕉這件事而言：

  • 給足夠的錢就是所謂的「前置條件」或「先驗條件」
  • 預期拿到香蕉就是「後置條件」或「後驗條件」，
  • 每天都會去市場賣香蕉就是「不變條件」

因此當我們想要符合里氏替換原則時候，其實就可以試著遵守：

  • 先驗條件不可以強化：父類別要求的是矩形，子類別就不能要求得更嚴，只准人家給正方形
  • 後驗條件不可以弱化：父類別產出的是正方形，子類別不能說沒關係啦，就給人家隨便一個矩形
  • 不變條件必須保持不變：父類別是一個產生矩形的方法，子類別不能背骨，跑去產生圓形

只要確保了輸入和輸出都是一致的，就可以減少很多神奇妙妙問題。這個也就是所謂的 契約式設計 (Design By Contract)。

稍微想一想，你可以不要（隨便）繼承

有沒有發現，這個契約式的描述，和我們提過的 介面 概念是不是很像呢？可以稍微想一想：介面和繼承間的關係，以及介面與里氏替換原則的關係。

首先，為什麼我們要使用繼承呢？如果只是為了減少重複程式碼，那實在是，呃，相當不建議。這邊需要了解一個觀念：我們不應該因為單純的「IS-A」就濫用繼承，那樣是危險的。企鵝「是」鳥類、正方形「是」矩形，在想法上似乎是沒有問題的，但是貿然繼承就會遇到「企鵝不會飛」、「正方形四邊等長」等問題，讓實作上有種綁手綁腳的感覺。

真正的繼承應該是基於行為的：這個子類別能不能做到父類別期望的行為？這才是里氏替換原則的核心。不要用繼承去掠奪父類的程式碼，而是把目光放在行為，試著去思考父類別期望的行為是什麼、哪些是不可變的；期望的前置條件、後置條件，也就是輸入和輸出又代表什麼。當我們需要繼承時，能稍微想一想，把觀看物件的角度集中在它的功能上，去試著了解父類別所期望的繼承方式，和使用者期望的預期結果。

如此一來，我們自然就會朝向遵守契約式設計精神的 介面 來取代繼承，又或是釐清功能之間的 職責，利用組合各個功能的子模組的方式來完成我們要的行為。放下繼承的包袱，了解繼承的原則，才能真正達到多型的精神，這就是里氏替換原則替我們指引出的方向。

既然我們需要用到介面，那介面又有什麼要注意的地方呢？這就要到我們的介面隔離原則再聊了。欲知後續如何，且待下回分曉。

那麼，我們下次見～

本文主要參考至這幾篇，建議想對里氏替換原則更了解的朋友可以閱讀一下呦：

本系列下一篇：菜雞與物件導向 (13): 介面隔離原則

參考資料

同系列文章