深入理解Java中的不可变对象

亦凉 2021-05-12 11:49 489阅读 0赞

> 二哥，你能给我说说为什么 String 是 immutable 类（不可变对象）吗？我想研究它，想知道为什么它就不可变了，这种强烈的愿望就像想研究浩瀚的星空一样。但无奈自身功力有限，始终觉得雾里看花终隔一层。二哥你的文章总是充满趣味性，我想一定能够说明白，我也一定能够看明白，能在接下来写一写吗？

收到读者小 R 的私信后，我就总感觉自己有一种义不容辞的责任，非要把 immutable 类说明白，否则我就怎么地——你说了算！

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### 01、什么是不可变类 ###

一个类的对象在通过构造方法创建后如果状态不会再被改变，那么它就是一个不可变（immutable）类。它的所有成员变量的赋值仅在构造方法中完成，不会提供任何 setter 方法供外部类去修改。

还记得《神雕侠侣》中小龙女的古墓吗？随着那一声巨响，仅有的通道就被无情地关闭了。别较真那个密道，我这么说只是为了打开你的想象力，让你对不可变类有一个更直观的印象。

自从有了多线程，生产力就被无限地放大了，所有的程序员都爱它，因为强大的硬件能力被充分地利用了。但与此同时，所有的程序员都对它心生忌惮，因为一不小心，多线程就会把对象的状态变得混乱不堪。

为了保护状态的原子性、可见性、有序性，我们程序员可以说是竭尽所能。其中，synchronized（同步）关键字是最简单最入门的一种解决方案。

假如说类是不可变的，那么对象的状态就也是不可变的。这样的话，每次修改对象的状态，就会产生一个新的对象供不同的线程使用，我们程序员就不必再担心并发问题了。

### 02、常见的不可变类 ###

提到不可变类，几乎所有的程序员第一个想到的，就是 String 类。那为什么 String 类要被设计成不可变的呢？

1）常量池的需要

字符串常量池是 Java 堆内存中一个特殊的存储区域，当创建一个 String 对象时，假如此字符串在常量池中不存在，那么就创建一个；假如已经存，就不会再创建了，而是直接引用已经存在的对象。这样做能够减少 JVM 的内存开销，提高效率。

2）hashCode 的需要

因为字符串是不可变的，所以在它创建的时候，其 hashCode 就被缓存了，因此非常适合作为哈希值（比如说作为 HashMap 的键），多次调用只返回同一个值，来提高效率。

3）线程安全

就像之前说的那样，如果对象的状态是可变的，那么在多线程环境下，就很容易造成不可预期的结果。而 String 是不可变的，就可以在多个线程之间共享，不需要同步处理。

因此，当我们调用 String 类的任何方法（比如说 `trim()`、`substring()`、`toLowerCase()`）时，总会返回一个新的对象，而不影响之前的值。

String cmower = "沉默王二，一枚有趣的程序员";
    cmower.substring(0,4);
    System.out.println(cmower);// 沉默王二，一枚有趣的程序员

虽然调用 `substring()` 方法对 cmower 进行了截取，但 cmower 的值没有改变。

除了 String 类，包装器类 Integer、Long 等也是不可变类。

### 03、自定义不可变类 ###

看懂一个不可变类也许容易，但要创建一个自定义的不可变类恐怕就有点难了。但知难而进是我们作为一名优秀的程序员不可或缺的品质，正因为不容易，我们才能真正地掌握它。

接下来，就请和我一起，来自定义一个不可变类吧。一个不可变诶，必须要满足以下 4 个条件：

1）确保类是 final 的，不允许被其他类继承。

2）确保所有的成员变量（字段）是 final 的，这样的话，它们就只能在构造方法中初始化值，并且不会在随后被修改。

3）不要提供任何 setter 方法。

4）如果要修改类的状态，必须返回一个新的对象。

按照以上条件，我们来自定义一个简单的不可变类 Writer。

public final class Writer { 
        private final String name;
        private final int age;
    
        public Writer(String name, int age) { 
            this.name = name;
            this.age = age;
        }
    
        public int getAge() { 
            return age;
        }
    
        public String getName() { 
            return name;
        }
    }

Writer 类是 final 的，name 和 age 也是 final 的，没有 setter 方法。

OK，据说这个作者分享了很多博客，广受读者的喜爱，因此某某出版社找他写了一本书（Book）。Book 类是这样定义的：

public class Book { 
        private String name;
        private int price;
    
        public String getName() { 
            return name;
        }
    
        public void setName(String name) { 
            this.name = name;
        }
    
        public int getPrice() { 
            return price;
        }
    
        public void setPrice(int price) { 
            this.price = price;
        }
    
        @Override
        public String toString() { 
            return "Book{" +
                    "name='" + name + '\'' +
                    ", price=" + price +
                    '}';
        }
    }

2 个字段，分别是 name 和 price，以及 getter 和 setter，重写后的 `toString()` 方法。然后，在 Writer 类中追加一个可变对象字段 book。

public final class Writer { 
        private final String name;
        private final int age;
        private final Book book;
    
        public Writer(String name, int age, Book book) { 
            this.name = name;
            this.age = age;
            this.book = book;
        }
    
        public int getAge() { 
            return age;
        }
    
        public String getName() { 
            return name;
        }
    
        public Book getBook() { 
            return book;
        }
    }

并在构造方法中追加了 Book 参数，以及 Book 的 getter 方法。

完成以上工作后，我们来新建一个测试类，看看 Writer 类的状态是否真的不可变。

public class WriterDemo { 
        public static void main(String[] args) { 
            Book book = new Book();
            book.setName("Web全栈开发进阶之路");
            book.setPrice(79);
    
            Writer writer = new Writer("沉默王二",18, book);
            System.out.println("定价：" + writer.getBook());
            writer.getBook().setPrice(59);
            System.out.println("促销价：" + writer.getBook());
        }
    }

程序输出的结果如下所示：

定价：Book{ name='Web全栈开发进阶之路', price=79}
    促销价：Book{ name='Web全栈开发进阶之路', price=59}

糟糕，Writer 类的不可变性被破坏了，价格发生了变化。为了解决这个问题，我们需要为不可变类的定义规则追加一条内容：

如果一个不可变类中包含了可变类的对象，那么就需要确保返回的是可变对象的副本。也就是说，Writer 类中的 `getBook()` 方法应该修改为：

public Book getBook() { 
        Book clone = new Book();
        clone.setPrice(this.book.getPrice());
        clone.setName(this.book.getName());
        return clone;
    }

这样的话，构造方法初始化后的 Book 对象就不会再被修改了。此时，运行 WriterDemo，就会发现价格不再发生变化了。

定价：Book{name='Web全栈开发进阶之路', price=79}
    促销价：Book{name='Web全栈开发进阶之路', price=79}

### 04、总结 ###

不可变类有很多优点，就像之前提到的 String 类那样，尤其是在多线程环境下，它非常的安全。尽管每次修改都会创建一个新的对象，增加了内存的消耗，但这个缺点相比它带来的优点，显然是微不足道的——无非就是捡了西瓜，丢了芝麻。

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> 作者info  
> 作者：沉默王二，CSDN 2019年度博客之星，《Web全栈开发进阶之路》作者  
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