Liskov Substitution Principle(LSP 里氏替换原则)

一.what is Liskov Substitution Principle

里氏替换原则是面向对象设计中的五大SOLID原则之一，是开闭原则的重要补充。它规定了子类可以扩展基类的功能，但不能改变基类原有的行为。

二.LSP的设计准则

LSP强调了继承不仅是“is a”的关系，并且行为上必须是“is-substitutable-for”（可以完全替换）的关系。

• 前置条件（Preconditions）：子类方法的前置条件不能比基类更严格（参数范围要更宽松或相等）。
  
• 后置条件（Postconditions）：子类方法的后置条件不能比基类更宽松（返回值范围要更严格或相等）。
  
• 不变式（Invariants）：子类必须维护基类定义的不变式。
  
• 异常（Exceptions）：子类方法不能抛出比基类更多的异常类型。
  

三.举例

3.1 基类鸟和和子类鸵鸟

语义上：鸵鸟是一种鸟，正确。
行为上：如果基类Bird有fly()方法，正常鸟可以飞，但鸵鸟不能飞，或者执行飞了会抛异常(子类方法变得更严格)。这时用鸵鸟替换Bird，就会破坏程序原有行为, 违反LSP。

3.2 linux虚拟文件系统

vfs.h
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1. #ifndef VFS_H
2. #define VFS_H
4. #include <stdio.h>
5. #include <stddef.h>
7. // 1. 定义操作契约 (类似 C++ 的纯虚类)
8. struct file_operations {
9.     int (*open)(struct my_file *file);
10.     ssize_t (*read)(struct my_file *file, char *buf, size_t count);
11. };
13. // 2. 定义通用对象
14. struct my_file {
15.     const struct file_operations *f_ops; // 父类接口指针
16.     void *private_data;                  // 指向具体的“子类”数据
17. };
19. // 3. 通用高层接口：无论什么文件，调用者只用这两个函数
20. void vfs_open(struct my_file *file);
21. void vfs_read(struct my_file *file, char *buf, size_t count);
23. #endif

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vfs.c点击查看代码

1. #include "vfs.h"
3. void vfs_open(struct my_file *file) {
4.     if (file->f_ops->open) {
5.         file->f_ops->open(file);
6.     }
7. }
9. void vfs_read(struct my_file *file, char *buf, size_t count) {
10.     if (file->f_ops->read) {
11.         file->f_ops->read(file, buf, count);
12.     }
13. }

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实现磁盘设备和键盘设备驱动

driver.c
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1. #include "vfs.h"
2. #include <stdlib.h>
4. // --- 子类 A: 磁盘文件 ---
5. struct disk_file {
6.     const char *disk_path;
7.     int sector_id;
8.     struct my_file vfs_node; // 嵌入父类对象
9. };
11. static int disk_open(struct my_file *f) {
12.     printf("[Disk] 寻道到起始扇区...\n");
13.     return 0;
14. }
16. static ssize_t disk_read(struct my_file *f, char *b, size_t c) {
17.     printf("[Disk] 从物理磁盘读取 %zu 字节数据\n", c);
18.     return c;
19. }
21. const struct file_operations disk_fops = { .open = disk_open, .read = disk_read };
23. // --- 子类 B: 键盘设备 ---
24. struct keyboard_dev {
25.     int irq_line;
26.     struct my_file vfs_node;
27. };
29. static int kbd_open(struct my_file *f) {
30.     printf("[KBD] 激活中断线，准备监听按键...\n");
31.     return 0;
32. }
34. static ssize_t kbd_read(struct my_file *f, char *b, size_t c) {
35.     printf("[KBD] 从缓冲区获取击键数据...\n");
36.     return c;
37. }
39. const struct file_operations kbd_fops = { .open = kbd_open, .read = kbd_read };

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main.c点击查看代码

1. #include "vfs.h"
3. // 外部驱动定义的 ops
4. extern const struct file_operations disk_fops;
5. extern const struct file_operations kbd_fops;
7. int main() {
8.     char buffer[128];
10.     // 1. 创建磁盘文件对象
11.     struct my_file file_a = { .f_ops = &disk_fops };
12.    
13.     // 2. 创建键盘设备对象
14.     struct my_file file_b = { .f_ops = &kbd_fops };
16.     // 3. 里氏替换原则的体现：
17.     // vfs_read 接受的是 struct my_file*。
18.     // 无论底层是磁盘还是键盘，对于 vfs_read 来说都是一样的。
19.     printf("--- 操作文件 A ---\n");
20.     vfs_open(&file_a);
21.     vfs_read(&file_a, buffer, 100);
23.     printf("\n--- 操作文件 B ---\n");
24.     vfs_open(&file_b);
25.     vfs_read(&file_b, buffer, 100);
27.     return 0;
28. }

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这个例子满足里氏替换原则：

• 行为一致性：vfs_read 预期调用 read 后会得到数据。disk_read 和 kbd_read 虽然获取数据的手段不同（一个读磁道，一个等中断），但结果都符合“填充缓冲区并返回”的契约。
  
• 完全替换：在 main.c 中，我们可以把 file_a 换成 file_b 而不需要修改 vfs_read 的任何一行代码。
  

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新版吗？好像是停更了吧。