Python：里氏替換原則（LSP）

里氏替換原則（Liskov Substitution Principle, 簡稱 LSP）是面向對象設計（OOD）與 SOLID 原則中的重要組成部分，由 Barbara Liskov 在 1987 年提出。它是繼承體系設計的根本規范，決定了父類與子類之間是否真正具有“可替換性”。

簡而言之：

只要父類可以使用的地方，子類也必須能夠安全地替代父類，而不會破壞程序功能。

LSP 是保證繼承層次結構穩定、可維護、可擴展的基礎。如果 LSP 被破壞，繼承就會帶來更多問題而非好處。

一、為什么需要里氏替換原則？

繼承本質上表達“是一種”（is-a）關系，例如：

? Dog 是一種 Animal

? SavingsAccount 是一種 Account

? AdminUser 是一種 User

然而，不正確的繼承會導致：

? 子類行為違背父類預期

? 子類重寫方法改變語義

? 程序運行時出錯或表現異常

? 繼承層次難以維護或擴展

LSP 的意義就是確保繼承結構的正確性，使子類是真正的父類擴展，而不是破壞父類。

二、里氏替換原則的形式化定義

Barbara Liskov 給出的經典定義：

如果 S 是 T 的子類型，那么類型 T 的對象可以被類型 S 的對象替換，而不會改變程序的正確性。

換句話說：

? 子類必須遵守父類規定的行為契約

? 子類不能削弱父類的行為

? 子類可以擴展功能，但不能改變父類的語義

這是一種行為約束（Behavioral Subtyping）。

想象一下，你平時用的插座都是標準的三孔插座。如果某個電器插頭改變了尺寸或形狀，即便是同類型的電器，也可能無法直接插入使用。

里氏替換原則就像“標準插頭規范”：任何子類都必須遵守父類定義的接口和行為規范，才能在父類能工作的場景中無縫替換使用。

遵循 LSP，繼承就像標準插座一樣穩健可靠，子類可以擴展功能，但不能破壞已有“兼容性”。

三、Python 與 LSP 的關系

Python 是動態語言，沒有強制類型檢查，因此：

? Python 不會阻止違反 LSP 的繼承

? 行為契約完全依賴開發者自己遵守

? 違反 LSP 在運行期才會暴露問題（例如 AttributeError, TypeError, Logic Bug 等）

因此在 Python 中更需遵循 LSP 來構建健壯的類體系。

（1）經典的違反 LSP 的例子

方形“繼承”矩形：

        self.w = self.h = h

表面上 “方形是一種矩形”，但行為上的契約并不一致：

test(Square(2, 2))       # → 行為完全改變！輸出 25

父類 Rectangle 的隱含契約：

# 結果：面積 = 4 * 5 = 20

子類 Square 破壞了這一契約：

# 結果：面積 = 5 * 5 = 25 (不是預期的20)

Square 改變了父類 Rectangle 的關鍵行為契約（寬高修改的獨立性），導致在需要 Rectangle 的場景中無法正確替換 Rectangle，從而違反了 LSP。

（2）正確的設計方式

將 Rectangle 與 Square 設計為并列關系，繼承抽象類 Shape：

        return self.side * self.side

二者都是 Shape，且不互為子類，因此不會互相破壞契約。

這是工業界最常采用且最安全的設計。

四、Python 中違反 LSP 的常見場景

（1）子類重寫方法，但改變了父類語義，即子類方法的行為與父類預期不一致

        print(text)

改進：創建 Writer 抽象基類；不要讓 ConsoleWriter 繼承具體實現類。

（2）子類增加方法參數，導致不能替代父類

        print("汪" * volume)

改進：保持參數一致，或另加方法。

（3）子類限制更多條件，破壞父類契約

            raise ValueError("VIP 不允許取太多？")

子類不能比父類更嚴格；必須遵守父類契約。

五、遵守 LSP 的設計建議

（1）繼承只表達“is-a”關系

不要濫用繼承，將子類設計成真正的父類擴展，而非簡單重用代碼。

（2）子類行為必須符合父類預期語義

子類方法的功能和行為應與父類保持一致，不可任意改變。

（3）輸入輸出保持兼容

子類不能收緊父類的輸入要求，也不能改變父類的輸出預期。

（4）方法重寫保持邏輯兼容

子類重寫方法時，應在不破壞父類契約的前提下擴展功能。

（5）優先使用組合而非繼承

當“有一個”（has-a）關系更合理時，使用組合替代繼承，以提高靈活性和可維護性。

（6）使用抽象基類定義行為契約

通過 ABC（Abstract Base Class）明確方法接口和行為規范，確保子類遵守契約。

（7）文檔與注釋明確規范

在文檔或代碼注釋中清晰描述方法行為，便于子類開發者理解并遵循父類契約。

六、綜合示例：符合 LSP 的日志系統

process(FileLogger())     # OK

? FileLogger 與 ConsoleLogger 都遵守 Logger 的契約

? 任意一個都可以替代 Logger

? 真正符合 LSP

小結

里氏替換原則是繼承體系設計的基礎，它要求子類必須能夠完全替代父類，而不改變程序行為。遵守 LSP 能提升代碼穩定性、可維護性和擴展能力；違反 LSP 的繼承會導致隱藏 bug、錯誤行為和脆弱的結構。在 Python 中沒有編譯時強類型約束，因此更應通過約定、抽象基類和清晰的設計來確保子類遵守父類行為契約。遵循 LSP 是編寫健壯、可擴展面向對象代碼的重要前提。

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