1、 里氏替換原則 (LSP)
"超類的物件必須能夠被其子類的物件替代，而不會影響正確性。"—Barbara Liskov
我們已經在討論SOLID設計原則，一個幫助我們寫出更更標準程式碼的指導手冊。在此之前，我們聊過了SRP（單一職責原則）和OCP（開閉原則）。現在，讓我們來探討另一個關鍵原則：里氏替換原則（LSP）。這一原則涉及繼承關係的管理，它指導我們如何在不改動現有系統的情況下，靈活調整物件的行為。
里氏替換原則讓我們在設計程式時，能確保一個類的子類可以替代它的父類，而不會引起系統的錯誤或異常。這意味著，子類在擴充套件父類的功能時，不僅要保留父類的行為，還要遵守特定的規則，以確保它們的替換不會導致程式崩潰或行為不一致。透過遵循LSP，我們能構建出更加靈活和可維護的程式碼結構。
1.1、里氏替換原則概述
里氏替換原則（LSP）是軟件開發中SOLID原則的關鍵部分，它專注於繼承關係的正確使用。繼續我們對SOLID原則的探索，我們已經討論了單一職責原則（SRP）和開閉原則（OCP）。現在，我們將關注LSP，這個原則教我們如何在不改變現有系統的情況下，透過繼承靈活地修改或擴充套件行為。
簡單來說，LSP強調子類應該能夠替換它們的父類，而不會影響程式的正確性。這意味著，如果我們有一個函式使用了某個父類的物件，當我們用一個子類的物件來替換父類物件時，這個函式仍然能夠正常執行。這樣做的目的是確保繼承關係的設計是合理的，使得軟體更加靈活和可維護。遵循LSP可以幫助我們更好地管理和擴充套件程式碼，確保軟體架構的健壯性。
1.2、如何應用該原則
應用里氏替換原則（LSP）意味著繼承機制的充分利用，確保子類可以無縫地代替父類。在設計繼承關係時，我們需要細緻考慮以下幾個關鍵方面：
確保“是一個”關係： 當我們採用繼承時，必須明確子類與父類之間的“是一個”關係。這個關係的核心在於子類應繼承父類的所有特性和行為。如果子類無法實現父類的某些方法，或者在實現時改變了這些方法原有的行為，那麼這種情況下繼承就失去了其意義。這要求我們在設計子類時，確保它們能完整、正確地承載父類的職責。
優先考慮介面： 在某些場景下，直接繼承父類可能並非最佳選擇。相對於繼承，介面提供了一種更靈活的方式來定義類之間的行為協議。透過實現介面，不同的類可以按照自己的方式實現相同的方法集合，這樣我們就可以避免繼承帶來的直接依賴，同時保持程式碼的靈活性和擴充套件性。
利用多型性： 里氏替換原則的實踐促進了多型性的實現，讓我們能夠透過子類提供的不同實現來增強程式的靈活性。這種方式下，子類可以根據需要重寫父類的方法，提供定製化的行為，而這些子類的例項在任何需要使用父類例項的地方都能夠無縫替代。這不僅提升了程式碼的可用性，也使得我們能夠在不觸碰現有系統的前提下，輕鬆地引入新的行為和特性。
遵循LSP不只是提高了程式碼的質量和可維護性，它還確保了繼承關係的邏輯性和合理性，使得程式碼結構更加清晰，易於理解和擴充套件。透過這種方式，我們可以建立一個既強大又靈活的軟體架構，為應對未來的需求變化和擴充套件提供了堅實的基礎。
1.3、示例
想象我們設計一個幾何形狀處理系統，其中心思想是有一個基礎的Shape類。這個Shape類中定義了一個關鍵的抽象方法：calculate_area。這個方法的目的是爲了讓所有繼承自Shape的子類都必須實現自己計算面積的邏輯。
接下來，基於這個Shape基類，我們進一步定義了兩個子類：Circle和Square。這兩個子類繼承了Shape類，並且根據自己獨特的幾何特性實現了calculate_area方法。例如，Circle類會根據圓的半徑來計算面積，而Square類則根據邊長來計算面積。
這個設計允許我們在不改變Shape類的情況下，輕鬆地新增更多種類的幾何形狀。每個新的形狀類只需繼承Shape類並實現calculate_area方法即可。這種方式不僅保證了系統的靈活性和擴充套件性，也確保了程式碼的整潔和一致性。透過這種方法，我們可以建立一個強大的幾何形狀處理系統，它可以輕鬆地處理各種形狀，同時保持程式碼的簡潔和易於維護。
import abc class Shape(abc.ABC): @abc.abstractmethod def calculate_area(self): ... class Circle(Shape): def __init__(self, r): self.r = r def calculate_area(self): return 22.7*(self.r)**2 class Circle(Shape): def __init__(self, a, b): self.a = a self.b = b def calculate_area(self): return self.a*self.b
透過繼承和多型性，我們能夠在保持類之間的邏輯關係的同時增加程式碼的靈活性。在Python這種支援鴨子型別的語言中，"如果某物看起來像鴨子，叫聲也像鴨子，那麼它就可以被認為是鴨子"。這意味著，即使我們沒有明確使用一個抽象的Shape類，只要Circle和Square類都實現了calculate_area方法，它們就可以被視為具有相似行為的物件。
這種方法允許我們在不嚴格要求物件之間的繼承關係的情況下，仍然能夠以統一的方式處理不同的形狀物件。即使沒有顯式地從同一個父類繼承，只要Circle和Square提供了相同的介面（在這裏是calculate_area方法），它們就可以在需要處理多種形狀的場合中互換使用。這樣，我們利用了Python的靈活性，同時也保持了程式碼的清晰和有序。
2、與SRP和OCP的關係
雖然乍一看，里氏替換原則（LSP）似乎與單一職責原則（SRP）和開閉原則（OCP）沒什麼直接聯絡，但深入瞭解就會發現，LSP實際上是實現SRP和OCP的關鍵。當我們運用繼承機制時，LSP確保我們能夠遵循這兩個原則。具體來說，透過利用多型性，我們可以為不同的物件建立專門的類，這正符合SRP的要求；同時，這些類的互換性讓我們能夠新增新的類或者新的實現方式，而無需更改現有程式碼，這就是OCP原則的實踐。
在我們結束這一節的討論之前，有一點需要特別強調：LSP特別指出，應當能夠在不改變程式預期結果的情況下，用子類物件替換超類物件。這並不意味著子類不能有新增的方法或屬性，而是強調在擴充套件功能時，應保持對原有系統的相容性。簡而言之，子類應當能夠擴充套件父類的功能，而不破壞原有的系統結構。
3、小結
里氏替換原則（LSP）在構建健壯、易於維護和可擴充套件的物件導向系統中起著至關重要的作用。這一原則的核心思想是確保子類能夠無縫地替換其父類，這樣做的好處是雙重的：一方面，它保證了系統的正確性和穩定性，因為子類的替換不會引入任何意外行為或破壞原有的功能；另一方面，它顯著提升了系統的靈活性和可擴充套件性，因為我們可以透過新增新的子類來引入新功能，而不需要修改現有的程式碼。
遵守里氏替換原則意味著在設計子類時，我們需要仔細考慮其與父類的關係。子類擴充套件父類的行為時，不應改變父類原有的行為。例如，如果父類有一個方法返回特定的輸出，子類覆蓋或實現該方法時，也應保證返回相同型別的輸出，避免引入任何與預期不符的結果。
此外，里氏替換原則鼓勵我們使用介面和抽象類來定義和封裝不變的行為，而將可變的行為留給子類去實現，這樣不僅增加了程式碼的可讀性，也使得系統更加模組化，便於測試和維護。透過實踐LSP，開發者可以構建出既穩定又具備彈性的軟體架構，使得未來的變更和擴充套件變得更加簡單和安全。
