里氏替換原則（Liskov Substitution Principle，LSP）是面向對象設計中的一個重要原則，它指出子類必須能夠替換它的基類，并且程序的行為不會發生改變。也就是說，在任何使用基類對象的地方，都可以透明地使用其子類對象。繼承不僅是代碼復用的手段，更重要的是表達了類型的抽象，子類是對基類的一種特殊化。

下面通過幾個 C++ 代碼示例來詳細講解里氏替換原則。

示例一：簡單的繼承與替換

首先，我們定義一個基類 Shape 表示形狀，然后派生出子類 Rectangle（矩形）和 Square（正方形）。

#include <iostream>// 基類：形狀class Shape {public:virtual double area() const = 0;virtual ~Shape() {}};// 子類：矩形class Rectangle : public Shape {private:double width;double height;public:Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}double area() const override {return width * height;}};// 子類：正方形class Square : public Shape {private:double side;public:Square(double s) : side(s) {}double area() const override {return side * side;}};// 計算形狀面積的函數void printArea(const Shape& shape) {std::cout << "Area: " << shape.area() << std::endl;}int main() {Rectangle rect(3, 4);Square square(5);// 可以用子類對象替換基類對象printArea(rect);printArea(square);return 0;} ???

代碼解釋

Shape 是一個抽象基類，定義了純虛函數 area()，用于計算形狀的面積。

Rectangle 和 Square 是 Shape 的子類，分別實現了 area() 函數。

printArea 函數接受一個 Shape 類型的引用作為參數，在 main 函數中，我們可以將 Rectangle 和 Square 對象傳遞給 printArea 函數，這體現了子類可以替換基類的特性。

示例二：違反里氏替換原則的情況

有時候，如果子類的行為與基類的預期行為不一致，就會違反里氏替換原則。例如，我們對上面的 Rectangle 和 Square 類進行修改，添加 setWidth 和 setHeight 方法。

#include <iostream>// 基類：矩形class Rectangle {protected:double width;double height;public:Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}virtual void setWidth(double w) { width = w; }virtual void setHeight(double h) { height = h; }double area() const {return width * height;}};// 子類：正方形class Square : public Rectangle {public:Square(double s) : Rectangle(s, s) {}void setWidth(double w) override {width = w;height = w;}void setHeight(double h) override {width = h;height = h;}};// 調整矩形尺寸并打印面積的函數void resizeAndPrint(Rectangle& rect) {rect.setWidth(5);rect.setHeight(10);std::cout << "Area: " << rect.area() << std::endl;}int main() {Rectangle rect(3, 4);Square square(5);// 對于矩形，預期結果是 5 * 10 = 50resizeAndPrint(rect);// 對于正方形，結果不符合預期，因為正方形的寬和高總是相等的resizeAndPrint(square);return 0;}

代碼解釋

在這個例子中，Square 類繼承自 Rectangle 類，但是 Square 類的 setWidth 和 setHeight 方法會同時修改寬和高，這與 Rectangle 類的預期行為不一致。

resizeAndPrint 函數期望傳入的 Rectangle 對象可以獨立地設置寬和高，但是當傳入 Square 對象時，結果不符合預期，這就違反了里氏替換原則。

總結

里氏替換原則強調了繼承關系中類型的兼容性和行為的一致性。在設計類和繼承體系時，要確保子類能夠完全替換基類，并且不會破壞程序的正確性。如果子類的行為與基類的預期行為不一致，就可能需要重新考慮類的設計，例如使用組合而不是繼承。