リスコフの置換原理

リスコフの置換原則( LSP ) は、強い振る舞いのサブタイピングと呼ばれるサブタイプ関係の特定の定義であり、1987 年の「データの抽象化と階層」と題された会議の基調講演でバーバラ リスコフによって最初に導入されました。これは、「置換可能性」の概念に基づいています。これは、オブジェクト指向プログラミングの原則であり、プログラムを破壊することなく、オブジェクト(クラスなど) をサブオブジェクト (最初のクラスを拡張するクラスなど) に置き換えることができると述べています。これは、階層内の型、特にオブジェクト型のセマンティックな相互運用性を保証することを目的としているため、単なる構文上の関係ではなくセマンティックな関係です。バーバラ リスコフとジャネット ウィングは、 1994 年の論文でこの原則を次のように簡潔に説明しています。^[1]

サブタイプ要件: ⁠ ⁠ を${\displaystyle \phi (x)}$型Tのオブジェクト⁠ ⁠${\displaystyle x}$について証明可能なプロパティとします。この場合、⁠ ⁠は型Sのオブジェクト⁠ ⁠に対して真である必要があります( SはTのサブタイプです)。${\displaystyle \phi (y)}$${\displaystyle y}$

象徴的に：

${\displaystyle S\leq T\to (\forall x{:}T.\phi (x)\to \forall y{:}S.\phi (y))}$

つまり、S が T をサブタイプ化する場合、T オブジェクトに当てはまることは S オブジェクトにも当てはまります。同じ論文で、リスコフとウィングは、ホーア論理の拡張における動作サブタイプ化の概念を詳しく説明しました。これは、サブタイプ化と前提条件、事後条件、不変条件の相互作用を考慮するという点で、ベルトラン・マイヤーの契約による設計とある程度類似しています。

リスコフの振る舞いサブタイプの概念は、オブジェクトの代替可能性の概念を定義します。つまり、S がTのサブタイプである場合、プログラム内のT型のオブジェクトは、そのプログラムの望ましい特性 (たとえば、正確性) を変更することなく、 S型のオブジェクトに置き換えることができます。

動作サブタイピングは、パラメータ型の反変性と戻り値の型の共変性のみに依存する、型理論で定義されている関数の一般的なサブタイピングよりも強力な概念です。動作サブタイピングは一般に決定不可能です。q が「 xのメソッドは常に終了する」というプロパティである場合、たとえqがTに当てはまるとしても、プログラム (コンパイラなど) がTの何らかのサブタイプSに当てはまることを検証することは不可能です。それでも、この原則はクラス階層の設計について推論する際に役立ちます。

リスコフの置換原則は、新しいオブジェクト指向プログラミング言語で採用されているシグネチャにいくつかの標準要件を課します(通常は型ではなくクラスのレベルです。違いについては、名目上のサブタイプと構造的なサブタイプを参照してください)。

• サブタイプ内のメソッド パラメータ型の反変性。
• サブタイプ内のメソッドの戻り値の型の共変性。
• 新しい例外は、スーパータイプのメソッドによってスローされた例外のサブタイプである場合を除き、サブタイプのメソッドによってスローすることはできません。

署名要件に加えて、サブタイプはいくつかの動作条件を満たす必要があります。これらは、契約による設計方法論に似た用語で詳細に説明されており、契約が継承と相互作用する方法にいくつかの制限が課せられます。

• サブタイプでは前提条件を強化することはできません。
• サブタイプでは事後条件を弱めることはできません。
• サブタイプでは不変条件を弱めることはできません。
• 履歴制約（「履歴ルール」）。オブジェクトは、メソッドを通じてのみ変更可能であるとみなされます（カプセル化）。サブタイプはスーパータイプに存在しないメソッドを導入する可能性があるため、これらのメソッドの導入により、スーパータイプでは許可されていないサブタイプの状態変更が可能になる可能性があります。履歴制約はこれを禁止します。これは、リスコフとウィングによって導入された新しい要素でした。この制約に違反する例として、可変点を不変点のサブタイプとして定義することが挙げられます。^{[2]これは履歴制約に違反します。}不変点の履歴では、状態は作成後常に同じであるため、一般に可変点の履歴を含めることができないためです。ただし、サブタイプに追加されたフィールドは、スーパータイプのメソッドを通じて観察できないため、安全に変更できます。したがって、履歴制約に違反することなく、不変の中心と可変の半径を持つ円を不変点のサブタイプとして定義できます。

事前条件と事後条件に関する規則は、1988 年の著書『オブジェクト指向ソフトウェア構築』で Bertrand Meyer が紹介したものと同一です。Meyer と、後に「動作サブタイピング」という用語を初めて使用した Pierre America は、動作サブタイピングの概念について証明理論的な定義を与えましたが、その定義では参照やポインタをサポートするプログラミング言語で発生する可能性のあるエイリアシングが考慮されていませんでした。エイリアシングを考慮に入れたことは、Liskov と Wing (1994) による大きな改善であり、その重要な要素は履歴制約です。Meyer と America の定義では、可変ポイントは不変ポイントの動作サブタイプになりますが、Liskov の置換原則ではこれが禁止されています。

• 円と楕円の問題
• 継承よりも合成
• プログラムの改良
• 参照の透明性
• 型シグネチャ
• SOLID – 「SOLID」の「L」はリスコフの置換原理を表します

• Norvell, TS「リスコフの置換原理」(PDF)。エンジニアリングメモリアル大学。
• Samokhin, Vadim (2018-06-06). 「Liskov Substitution Principle」. Medium .
• 「SOLID クラス設計: Liskov の置換原則」。Tom Dalling。2009年 11 月 21 日。
• Jobaer, Abu (2023-05-31). 「LSP: Liskov Substitution Principle」. The Startup . Medium.