[OOD]违反里氏替换原则的解决方案

￡神魔★判官ぃ 2022-08-08 17:53 4阅读 0赞

关于OOD中的里氏替换原则，大家耳熟能祥了，不再展开，可以参考[设计模式的六大设计原则之里氏替换原则][Link 1]。这里尝试讨论常常违反的两种形式和解决方案。

违反里氏替换原则的根源是对子类及父类关系不明确。我们在设计继承关系常常受一些主观认识的左右，比如Robert C. Martin提到的线段与线的关系，以及被大家说到烂的正方形与矩形。从以前的经验我们认为它们符合继承关系，比如线段是线的较短形式，正方形是矩形的一个特例。但事实上它们并不能完全的包容和替代。

以集合的形式表示，左图是里氏替换的目标，子类可以完全包容了父类的特性集合。右图则是说两者存在不兼容的特性集合:  
![LRP][]

对应的解决方案就是进一步抽象，将它们之前的关系从语言的角度重新定义，也许果真是is-a, 也许是has-a，也许它们只是兄弟。  
基本的思路如下:

### 1. 找到更高层次的抽象 ###

![up\_abstraction][up_abstraction]  
以Robert C. Martin举的线与线段为例, 初始实现Line是LineSegment的基类:

// Line代表经过两点(P1,P2)的一条的直线
    class Line{
     public:
       double GetSlope() const;
       Point GetP1() const;
       Point GetP2() const;
       virtual bool IsOn(const Point&) const;
    
     private:
      Point itsP1;
      Point itsP2;
    }
    
    // LineSegment则是由两点(P1,P2)连接的线段。
    class LineSegment : public Line {
     public:
      virtual bool IsOn(const Point&) const;
    }

其中IsOn函数用于计算某个点在不在直线或线段上。对于直线而言，一个点在不在其上仅仅取决于这个点相对于直线的两个点的关系。而对于线段而言，还是它是否在线程起止边界内。两者对于这个接口函数的判断条件并不相同，所以LineSegment无法直接代替父类，违反了里氏替换原则。

解决方案是将这个不一致的接口排除掉，剩下的公共接口做为直线和线段的基类，即定义一个LinearObject做为Line及LineSegment的基类：

class Line{
     public:
       double GetSlope() const;
       Point GetP1() const;
       Point GetP2() const;
       // 纯虚函数的意义在于，确保使用基类的客户代码不会使用这个接口函数
       virtual bool IsOn(const Point&) const = 0;
    
     private:
      Point itsP1;
      Point itsP2;
    }

### 2. 改为has-a关系 ###

另一种解决方案，是针对继承关系太过牵强的情况，比如所谓的is-implemented-in-terms-of (由谁实现)的情况，不如转化为组合模式，如下面的关系:  
![compositor][]  
Scott Meyers在Effective C++ 3e, Item 38提到一个案例。比如准备基于std::list实现一个Set。初步想法是期望保持与list相同的接口，于是定义为:

template<typename T>
    class Set : public std::List<T> {
       ...}

但Set与List在行为有一个巨大的差异是Set不允许重复的元素，所以也违反了里氏替换原则。  
解决方案就是，使用std::list实现，就是一个has-a关系，可以定义为:

template<typename T>
    class Set {
     public:
      void insert(const T& item);
      void remove(const T& item);
      ...
    
     private:
      std::list<T> rep;
    }

[Link 1]: http://wiki.jikexueyuan.com/project/java-design-pattern-principle/principle-2.html
[LRP]: /images/20220731/ee8c3247b1c444219def5d475844bf2f.png
[up_abstraction]: /images/20220731/203debd0d09e4b61853d78b7c890b17e.png
[compositor]: /images/20220731/1a4d210996544c09be30e9f9910c5d8a.png