C# 實例解釋面向對象編程中的里氏替換原則

2022 年 2 月 23 日
筆記
csharp, dotnet, solid

在面向對象編程中，SOLID 是五個設計原則的首字母縮寫，旨在使軟體設計更易於理解、靈活和可維護。這些原則是由美國軟體工程師和講師羅伯特·C·馬丁(Robert Cecil Martin)提出的許多原則的子集，在他2000年的論文《設計原則與設計模式》中首次提出。

SOLID 原則包含：

S：單一功能原則（single-responsibility principle）
O：開閉原則（open-closed principle）
L：里氏替換原則（Liskov substitution principle）
I：介面隔離原則（Interface segregation principle）
D：依賴反轉原則（Dependency inversion principle）

本文我們來介紹里氏替換原則。

里氏替換原則

在面向對象的程式設計中，里氏替換原則（Liskov Substitution principle）是對子類型的特別定義。它由芭芭拉·利斯科夫（Barbara Liskov）在1987年的一次會議上，在名為「數據的抽象與層次」的演說中首次提出。

里氏替換原則的內容可以描述為：「派生類（子類）對象可以在程式中代替其基類（超類）對象。」

也就是說，程式中的對象不管出現在什麼地方，都應該可以使用其派生類（子類）的對象進行替換，而不影響程式運行的正確性。

C# 示例

我們看這樣一個示例，假設一個企業有三種員工，一種是拿鐵飯碗的永久僱員，一種是合約工，一種是臨時工。我們設計幾個類來表示這三種員工。

糟糕的示範

先定義一個 Employee 基類。

public abstract class Employee
{
    public string Name { get; set; }
    /// <summary>
    /// 計算獎金
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public abstract decimal CalculateBonus();
}

再定義該基類的三個子類：

/// <summary>
/// 永久僱員
/// </summary>
public class PermanentEmployee : Employee
{
    public override decimal CalculateBonus()
    {
        return 80000;
    }
}

/// <summary>
/// 合約工
/// </summary>
public class ContractEmployee : Employee
{
    public override decimal CalculateBonus()
    {
        return 2000;
    }
}

/// <summary>
/// 臨時工（臨時工沒有獎金）
/// </summary>
public class TemporaryEmployee : Employee
{
    public override decimal CalculateBonus()
    {
        throw new NotImplementedException(); //違反里氏替換原則
    }
}

接下來在 Main 方法中調用它們。

先定義一個類型為基類 Employee 的變數 e，再分別使用其子類 PermanentEmployee、ContractEmployee 和 TemporaryEmployee 創建對象賦值給基類變數 e，然後調用 e 的 CalculateBonus() 方法。

static void Main(string[] args)
{
    Employee e;

    e = new PermanentEmployee() { Name = "張三" };
    Console.WriteLine($"{e.Name} 的年終獎是 {e.CalculateBonus()} 元");

    e = new ContractEmployee() { Name = "李四" };
    Console.WriteLine($"{e.Name} 的年終獎是 {e.CalculateBonus()} 元");

    e = new TemporaryEmployee() { Name = "王五" };
    Console.WriteLine($"{e.Name} 的年終獎是 {e.CalculateBonus()} 元");
}

運行一下可以觀察到（顯而易見的），當使用 PermanentEmployee 和 ContractEmployee 類創建的對象替換基類型 Employee 的變數 e 時，調用 CalculateBonus() 方法可以正常運行，但是使用 TemporaryEmployee 類創建的對象替換變數 e 時，調用 CalculateBonus() 方法拋出了異常，導致程式無法正常運行。這就明顯違反了里氏替換原則。

那麼，應該如何改進一下呢？

正確的示範

我們看到，每種員工都有基本資訊 Name 屬性，但是由於臨時工 TemporaryEmployee 沒有獎金，所以不需要計算獎金。因此我們應該把計算獎金的方法 CalculateBonus 單獨抽象出去，而不是讓它們都繼承於同一個基類，並將 TemporaryEmployee 子類中的 CalculateBonus 方法拋出一個異常。

改進後的程式碼：

interface IEmployee
{
    /// <summary>
    /// 計算年終獎
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public decimal CalculateBonus();
}

public abstract class Employee
{
    public string Name { get; set; }
}

/// <summary>
/// 永久僱員
/// </summary>
public class PermanentEmployee : Employee, IEmployee
{
    public decimal CalculateBonus()
    {
        return 80000;
    }
}

/// <summary>
/// 合約工
/// </summary>
public class ContractEmployee : Employee, IEmployee
{
    public decimal CalculateBonus()
    {
        return 2000;
    }
}

/// <summary>
/// 臨時工
/// </summary>
public class TemporaryEmployee : Employee
{
}

在 Main 方法中，將調用它們的測試程式碼改為：

static void Main(string[] args)
{
    Employee e;
    IEmployee ie;

    var p = new PermanentEmployee() { Name = "張三" };
    e = p;
    ie = p;
    Console.WriteLine($"{e.Name} 的年終獎是 {ie.CalculateBonus()} 元");

    var c = new ContractEmployee() { Name = "李四" };
    e = c;
    ie = c;
    Console.WriteLine($"{e.Name} 的年終獎是 {ie.CalculateBonus()} 元");

    e = new TemporaryEmployee() { Name = "王五" };
    Console.WriteLine($"{e.Name} 是臨時工，無年終獎。");
}

程式運行正常。

這樣，這些子類的設計便遵循了里氏替換原則。

總結

本文我介紹了 SOLID 原則中的里氏替換原則（Liskov substitution principle），並通過 C# 程式碼示例簡明地詮釋了它的含意和實現，希望對您有所幫助。

作者：技術譯民
出品：技術譯站

參考文檔：

Tags: csharp dotnet solid