C# 实例解释面向对象编程中的里氏替换原则

在面向对象编程中，SOLID 是五个设计原则的首字母缩写，旨在使软件设计更易于理解、灵活和可维护。这些原则是由美国软件工程师和讲师罗伯特·C·马丁(Robert Cecil Martin)提出的许多原则的子集，在他2000年的论文《设计原则与设计模式》中首次提出。

SOLID 原则包含：

S：单一功能原则（single-responsibility principle）
O：开闭原则（open-closed principle）
L：里氏替换原则（Liskov substitution principle）
I：接口隔离原则（Interface segregation principle）
D：依赖反转原则（Dependency inversion principle）

本文我们来介绍里氏替换原则。

里氏替换原则

在面向对象的程序设计中，里氏替换原则（Liskov Substitution principle）是对子类型的特别定义。它由芭芭拉·利斯科夫（Barbara Liskov）在1987年的一次会议上，在名为“数据的抽象与层次”的演说中首次提出。

里氏替换原则的内容可以描述为：“派生类（子类）对象可以在程序中代替其基类（超类）对象。”

也就是说，程序中的对象不管出现在什么地方，都应该可以使用其派生类（子类）的对象进行替换，而不影响程序运行的正确性。

C# 示例

我们看这样一个示例，假设一个企业有三种员工，一种是拿铁饭碗的永久雇员，一种是合同工，一种是临时工。我们设计几个类来表示这三种员工。

糟糕的示范

先定义一个 Employee 基类。

public abstract class Employee
{
    public string Name { get; set; }
    /// <summary>
    /// 计算奖金
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public abstract decimal CalculateBonus();
}

再定义该基类的三个子类：

/// <summary>
/// 永久雇员
/// </summary>
public class PermanentEmployee : Employee
{
    public override decimal CalculateBonus()
    {
        return 80000;
    }
}
/// <summary>
/// 合同工
/// </summary>
public class ContractEmployee : Employee
{
    public override decimal CalculateBonus()
    {
        return 2000;
    }
}
/// <summary>
/// 临时工（临时工没有奖金）
/// </summary>
public class TemporaryEmployee : Employee
{
    public override decimal CalculateBonus()
    {
        throw new NotImplementedException(); //违反里氏替换原则
    }
}

接下来在 Main 方法中调用它们。

先定义一个类型为基类 Employee 的变量 e，再分别使用其子类 PermanentEmployee、ContractEmployee 和 TemporaryEmployee 创建对象赋值给基类变量 e，然后调用 e 的 CalculateBonus() 方法。

static void Main(string[] args)
{
    Employee e;
    e = new PermanentEmployee() { Name = "张三" };
    Console.WriteLine($"{e.Name} 的年终奖是 {e.CalculateBonus()} 元");
    e = new ContractEmployee() { Name = "李四" };
    Console.WriteLine($"{e.Name} 的年终奖是 {e.CalculateBonus()} 元");
    e = new TemporaryEmployee() { Name = "王五" };
    Console.WriteLine($"{e.Name} 的年终奖是 {e.CalculateBonus()} 元");
}

运行一下可以观察到（显而易见的），当使用 PermanentEmployee 和 ContractEmployee 类创建的对象替换基类型 Employee 的变量 e 时，调用 CalculateBonus() 方法可以正常运行，但是使用 TemporaryEmployee 类创建的对象替换变量 e 时，调用 CalculateBonus() 方法抛出了异常，导致程序无法正常运行。这就明显违反了里氏替换原则。

那么，应该如何改进一下呢？

正确的示范

我们看到，每种员工都有基本信息 Name 属性，但是由于临时工 TemporaryEmployee 没有奖金，所以不需要计算奖金。因此我们应该把计算奖金的方法 CalculateBonus 单独抽象出去，而不是让它们都继承于同一个基类，并将 TemporaryEmployee 子类中的 CalculateBonus 方法抛出一个异常。

改进后的代码：

interface IEmployee
{
    /// <summary>
    /// 计算年终奖
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public decimal CalculateBonus();
}
public abstract class Employee
{
    public string Name { get; set; }
}
/// <summary>
/// 永久雇员
/// </summary>
public class PermanentEmployee : Employee, IEmployee
{
    public decimal CalculateBonus()
    {
        return 80000;
    }
}
/// <summary>
/// 合同工
/// </summary>
public class ContractEmployee : Employee, IEmployee
{
    public decimal CalculateBonus()
    {
        return 2000;
    }
}
/// <summary>
/// 临时工
/// </summary>
public class TemporaryEmployee : Employee
{
}

在 Main 方法中，将调用它们的测试代码改为：

static void Main(string[] args)
{
    Employee e;
    IEmployee ie;
    var p = new PermanentEmployee() { Name = "张三" };
    e = p;
    ie = p;
    Console.WriteLine($"{e.Name} 的年终奖是 {ie.CalculateBonus()} 元");
    var c = new ContractEmployee() { Name = "李四" };
    e = c;
    ie = c;
    Console.WriteLine($"{e.Name} 的年终奖是 {ie.CalculateBonus()} 元");
    e = new TemporaryEmployee() { Name = "王五" };
    Console.WriteLine($"{e.Name} 是临时工，无年终奖。");
}

程序运行正常。

这样，这些子类的设计便遵循了里氏替换原则。

总结

本文我介绍了 SOLID 原则中的里氏替换原则（Liskov substitution principle），并通过 C# 代码示例简明地诠释了它的含意和实现，希望对您有所帮助。

作者：技术译民

出品：技术译站

参考文档：