Теория: Принцип подстановки Лисков

Переопределение методов на техническом уровне ничем не ограничено. Класс-наследник может изменить поведение любого метода настолько, насколько это вообще возможно. С одной стороны, может показаться что это здорово, так как открывается большая свобода действий, но с другой, некоторые изменения могут повлечь за собой серьезные архитектурные проблемы. Самая главная из них — сломанный полиморфизм.

Рассмотрим пример. Допустим, мы решили написать свой собственный логгер (объект, который записывает в журнал произвольные сообщения).

// Определение
class Logger {
  // Код
}

// Использование
const logger = new Logger()
logger.log('debug', 'Doing work')
logger.log('info', 'Useful for debugging')

Логгер позволяет записывать сообщения с разным уровнем важности, начиная от debug и до emergency. Сигнатура метода log() устроена таким образом, что первым параметром всегда передается уровень сообщения, а вторым сообщение. Само сообщение — это строка произвольного формата, а уровнем может быть один из 8 вариантов.

Уровень важности позволяет менять режимы вывода. Например, в разработке выводятся все сообщения, включая отладочные, а в продакшене выводятся только серьезные ошибки, чтобы не загрязнять журналы

Предположим, что нам это не понравилось, и мы решили изменить сигнатуру так, чтобы уровень передавался вторым параметром. Это позволит задать нам значение по умолчанию для того уровня, который чаще всего встречается в приложении. Для этого создадим класс-наследник MyLogger.

class MyLogger extends Logger {
  // Тут реализуем новую сигнатуру log
  log(message, level = 'debug') {
    return super.log(level, message)
  }
}

// Использование
logger.log('Doing work') // По умолчанию debug
logger.log('Useful for debugging', 'info')

Что не так с этим кодом? Подобное изменение сигнатуры делает невозможным полиморфизм. Эти классы несовместимы между собой.

// Предположим, что какой-то компонент системы хочет работать с логгером Logger, но внутрь передается MyLogger
const logger = new MyLogger()
database.setLogger(logger)

database.doSomething()
// Внутри вызывается логгер
// logger.log('info', 'boom!');

Этот код отработает неверно (или завершится с ошибкой), так как объект database будет использовать логгер в соответствии с требованиями Logger, что противоречит тому как работает MyLogger.

В 1987 году Барбара Лисков сформулировала принцип подстановки (Liskov Substitution Principle — LSP), который позволяет правильно строить иерархии типов, если ему следовать:

Пусть q(x) является свойством, верным относительно объектов x некоторого типа T. Тогда q(y) также должно быть верным для объектов y типа S, где S является подтипом типа T.

Звучит математично. Многие разработчики пытались переформулировать это правило так, чтобы оно было интуитивно понятным. Самая простая формулировка звучит так:

Функции, которые используют базовый тип, должны иметь возможность использовать подтипы базового типа, не зная об этом.

В примере выше функция setLogger(logger) ожидает на вход объект, соответствующий сигнатуре методов Logger, а мы передали ей MyLogger, который не следует первоначальной сигнатуре. Согласно принципу, код должен продолжать работать как ни в чем не бывало, но этого не происходит из-за нарушения интерфейса.

JavaScript — язык с утиной типизацией, поэтому понятие типа не выражено явно. Типом, в данном случае, называют интерфейсы. Они есть в таких языках как PHP/Java/C++/TypeScript. В JavaScript тип существует на логическом уровне, в нашей голове. Считайте, что тип — это сигнатура методов конкретного класса. Если у двух классов совпадают методы (по имени и сигнатуре), то они полиморфны по этому методу или набору методов.

Для любознательных. Почему вообще понадобился этот принцип? Почему бы не поручить эту работу языку? К сожалению, технически невозможно убедиться в соблюдении принципа Лисков. Поэтому его выполнение ложится на плечи разработчиков.

Правила проектирования иерархий типов

Существует несколько правил, которые надо учитывать при работе с типами:

• Предусловия не могут быть усилены в подклассе
• Постусловия не могут быть ослаблены в подклассе
• Исторические ограничения

Предусловия — это ограничения на входные данные, а постусловия — на выходные. Причем в силу ограничений систем типов, многие из таких условий невозможно описать на уровне сигнатуры. Их либо придется описывать просто текстом, либо добавлять проверки в код (проектирование по контракту).

Например, в нашем логгере предусловием является то, что метод log() первым параметром принимает один из 8 уровней сообщений. Принцип Лисков утверждает, что мы не можем создать класс, реализующий этот интерфейс (логически), который может обрабатывать меньшее число уровней. Это и называется усилением предусловий, то есть требования становятся жестче. Вместо 8 уровней, например 5. Попытка использовать объект такого класса, закончится ошибкой, когда какая-то из систем попробует передать ему уровень, который не поддерживается. Причем не важно, приведет это к ошибке (исключению) или логгер молча проглотит это сообщение не записав его в журнал. Главное, что поведение стало отличаться.

Встречаются ситуации, когда разработчики не видя причину такого поведения, начинают лечить следствия. В местах, где используются подобные объекты, добавляются проверки на типы. А это убивает полиморфизм.

С постусловиями ситуация аналогичная, но наоборот. Допустимо, если метод возвращает урезанный набор значений, так как этот набор все равно укладывается в требования виртуального интерфейса. А вот расширять возврат нельзя, так как появляются значения, которые не были предусмотрены интерфейсом. Это относится и к исключениям.

И последнее, исторические ограничения. Подтипы (в случае JS — классы-наследники) не могут добавлять новые методы для изменения (мутации) данных базового типа (в случае JS-класса). Способы изменения свойств, определенных в базовом типе, определяются этим типом.