【设计原则】里氏替换原则（LSP）：构建稳健继承体系的黄金法则-EW帮帮网

深入理解里氏替换原则（LSP）及其在C#中的实践

一、什么是里氏替换原则？

里氏替换原则（Liskov Substitution Principle, LSP）是面向对象设计SOLID原则中的"L"，由Barbara Liskov在1987年提出。其核心定义为：

所有引用基类（父类）的地方必须能透明地使用其子类的对象

这意味着：

子类必须完全实现父类的抽象方法
子类可以扩展父类功能但不能改变原有行为
子类方法的前置条件不应强于父类
子类方法的后置条件不应弱于父类

二、为什么需要LSP？

保证继承关系的正确性
提高代码的可维护性
增强系统的可扩展性
降低单元测试的复杂度

三、经典违反案例：矩形与正方形问题

// 基类：矩形
public class Rectangle
{
    // 矩形的宽度属性
    public virtual int Width { get; set; }
    
    // 矩形的高度属性
    public virtual int Height { get; set; }

    // 计算矩形的面积
    public int Area => Width * Height;
}

// 子类：正方形
public class Square : Rectangle
{
    // 重写Width属性，确保宽度和高度始终相等
    public override int Width
    {
        set { base.Width = base.Height = value; }
    }

    // 重写Height属性，确保高度和宽度始终相等
    public override int Height 
    {
        set { base.Width = base.Height = value; }
    }
}

// 使用场景：面积计算器
public class AreaCalculator
{
    // 计算矩形面积的方法
    public void Calculate(Rectangle rect)
    {
        // 设置宽度为5
        rect.Width = 5;
        
        // 设置高度为4
        rect.Height = 4;
        
        // 输出期望面积和实际面积
        Console.WriteLine($"期望面积20，实际得到：{rect.Area}");
    }
}

// 调用时会出现问题
new AreaCalculator().Calculate(new Square());  // 输出16而不是20

问题分析：
Square改变了Rectangle的基本行为约定，导致父类替换时出现意外结果，违反了LSP。

四、正确的设计实践

方案1：通过接口分离

// 定义形状接口
public interface IShape
{
    // 面积属性
    int Area { get; }
}

// 矩形类实现IShape接口
public class Rectangle : IShape
{
    // 宽度属性
    public int Width { get; set; }
    
    // 高度属性
    public int Height { get; set; }
    
    // 计算面积
    public int Area => Width * Height;
}

// 正方形类实现IShape接口
public class Square : IShape
{
    // 边长属性
    public int SideLength { get; set; }
    
    // 计算面积
    public int Area => SideLength * SideLength;
}

方案2：使用抽象类

// 定义抽象形状类
public abstract class Shape
{
    // 抽象面积属性
    public abstract int Area { get; }
}

// 矩形类继承Shape
public class Rectangle : Shape
{
    // 宽度属性
    public int Width { get; set; }
    
    // 高度属性
    public int Height { get; set; }
    
    // 实现面积计算
    public override int Area => Width * Height;
}

// 正方形类继承Shape
public class Square : Shape
{
    // 边长属性
    public int SideLength { get; set; }
    
    // 实现面积计算
    public override int Area => SideLength * SideLength;
}

五、LSP的关键检查点

方法签名一致性

// 父类：鸟
public class Bird {
    // 飞的方法
    public virtual void Fly() { /*...*/ }
}

// 违反LSP的子类：企鹅
public class Penguin : Bird {
    // 重写Fly方法，抛出异常
    public override void Fly() {
        throw new NotSupportedException();
    }
}

解决方案：建立IFlyable接口

前置条件不强于父类

// 父类
public virtual void SetTemperature(int temp) {
    // 接受0-100
}

// 违反LSP的子类
public override void SetTemperature(int temp) {
    if(temp < 10) throw new ArgumentException(); // 加强限制
    //...
}

后置条件不弱于父类

// 父类方法保证返回正数
public virtual int Calculate() {
    return Math.Abs(result);
}

// 违反LSP的子类
public override int Calculate() {
    return result; // 可能返回负数
}

六、C#中的实现建议

使用"override"关键字确保正确重写

密封基类方法防止意外修改

public class Vehicle {
    // 密封Start方法，防止子类修改
    public sealed override void Start() { /* 基础实现 */ }
}

接口默认实现（C#8.0+）

public interface IWorker {
    // 默认实现Work方法
    void Work() => Console.WriteLine("Working...");
}

七、单元测试验证LSP

使用NUnit进行契约测试：

[TestFixture]
public class LspTests {
    [Test]
    public void TestRectangleSubstitution() {
        // 创建形状列表
        var shapes = new List<Shape> { new Rectangle(), new Square() };
        
        // 遍历每个形状
        foreach(var shape in shapes) {
            // 设置宽度和高度
            shape.Width = 5;
            shape.Height = 4;
            
            // 断言面积是否为20
            Assert.That(shape.Area, Is.EqualTo(20));
        }
    }
}

八、最佳实践总结

优先使用组合而非继承
保持继承层次扁平化
使用设计模式：
- 策略模式
- 模板方法模式
- 装饰器模式
定期进行代码审查
编写契约测试

九、现实应用场景

支付系统：

// 抽象支付提供者
public abstract class PaymentProvider {
    // 抽象支付方法
    public abstract void ProcessPayment(decimal amount);
}

// 信用卡支付实现
public class CreditCardPayment : PaymentProvider { /*...*/ }

// PayPal支付实现
public class PayPalPayment : PaymentProvider { /*...*/ }

日志系统：

// 日志接口
public interface ILogger {
    // 日志记录方法
    void Log(string message);
}

// 文件日志实现
public class FileLogger : ILogger { /*...*/ }

// 数据库日志实现
public class DatabaseLogger : ILogger { /*...*/ }

遵循LSP能够创建出更健壮、更易维护的系统架构。记住：好的继承关系应该表现为"is-a"的关系，而不是"is-like-a"。当发现子类需要修改父类核心行为时，这往往是一个设计需要改进的信号。

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