Java不可变类机制

爱被打了一巴掌 2022-07-11 20:29 155阅读 0赞

不可变类（Immutable Class）：**所谓的不可变类是指这个类的实例一旦创建完成后，就不能改变其成员变量值**。如JDK内部自带的很多不可变类：Interger、Long和String等。

可变类（Mutable Class）：相对于不可变类，**可变类创建实例后可以改变其成员变量值，开发中创建的大部分类都属于可变类**。

不可变类的特性对JAVA来说带来怎样的好处？

1）线程安全：不可变对象是线程安全的，在线程之间可以相互共享，不需要利用特殊机制来保证同步问题，因为对象的值无法改变。可以降低并发错误的可能性，因为不需要用一些锁机制等保证内存一致性问题也减少了同步开销。

2）易于构造、使用和测试。

# 不可变类的设计原则 #

如何在Java中写出Immutable的类？要写出这样的类，需要遵循以下几个原则：

1）immutable对象的**状态在创建之后就不能发生改变，任何对它的改变都应该产生一个新的对象。**

2）Immutable类的**所有的成员都应该是private final的**。通过这种方式保证成员变量不可改变。但只做到这一步还不够，因为如果成员变量是对象，它保存的只是引用，有可能在外部改变其引用指向的值，所以第5点弥补这个不足

3）对象必须被正确的创建，比如：**对象引用在对象创建过程中不能泄露。**4）只提供读取成员变量的get方法，不提供改变成员变量的set方法，避免通过其他接口改变成员变量的值，破坏不可变特性。

5）**类应该是final的**，保证类不被继承，如果类可以被继承会破坏类的不可变性机制，只要继承类覆盖父类的方法并且继承类可以改变成员变量值，那么一旦子类以父类的形式出现时，不能保证当前类是否可变。

6）如果**类中包含mutable类对象，那么返回给客户端的时候，返回该对象的一个深拷贝，而不是该对象本身**（该条可以归为第一条中的一个特例）

如果将构造器传入的对象直接赋值给成员变量，还是可以通过对传入对象的修改进而导致改变内部变量的值。例如：

public final class ImmutableDemo {  
        private final int[] myArray;  
        public ImmutableDemo(int[] array) {  
            this.myArray = array;		 // wrong  
        }  
    }

这种方式不能保证不可变性，myArray和array指向同一块内存地址，用户可以在ImmutableDemo之外通过修改array对象的值来改变myArray内部的值。为了保证内部的值不被修改，可以采用深度copy来创建一个新内存保存传入的值。正确做法：

public final class MyImmutableDemo {  
        private final int[] myArray;  
        public MyImmutableDemo(int[] array) {  
            this.myArray = array.clone();   
        }   
    }

# String类的不可变实现 #

String对象在内存创建后就不可改变，不可变对象的创建一般满足以上原则，我们看看String代码是如何实现的。

public final class String
        implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence
    {
        private final char value[]; 	/** The value is used for character storage. */
        /** The offset is the first index of the storage that is used. */
        private final int offset;
        /** The count is the number of characters in the String. */
        private final int count;
        private int hash; // Default to 0
        ....
        public String(char value[]) {
             this.value = Arrays.copyOf(value, value.length); // deep copy操作
         }
         public char[] toCharArray() {
            char result[] = new char[value.length];
            System.arraycopy(value, 0, result, 0, value.length);
            return result;
        }
        ...
    }

如代码所示，可以观察到String类的设计符合上面总结的不变类型的设计原则。虽然String对象将value设置为final，并且还通过各种机制保证其成员变量不可改变。**但是还是可以通过反射机制改变其值**。例如：

String s = "Hello World"; 	//创建字符串"Hello World"， 并赋给引用s
    System.out.println("s = " + s); 	    
    //获取String类中的value字段
    Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");
    valueFieldOfString.setAccessible(true); 	//改变value属性的访问权限
    char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);
    value[5] = '_'; //改变value所引用的数组中的第5个字符
    System.out.println("s = " + s);  			//Hello_World

打印结果为：

*s = Hello World*

*s = Hello\_World*

发现String的值已经发生了改变。也就是说，通过反射是可以修改所谓的“不可变”对象的。

不可变类是实例创建后就不可以改变成员变量的值。这种特性使得**不可变类提供了线程安全的特性，**但同时也带来了对象创建的开销，每更改一个属性都是重新创建一个新的对象。JDK内部也提供了很多不可变类如Integer、Double、String等。String的不可变特性主要为了满足常量池、线程安全、类加载的需求。合理使用不可变类可以带来极大的好处。