Java中的不可变类

Posted 2020-09-07 zhiheng

本文与个人博客 zhiheng.me 同步发布，标题： Java中的不可变类。

Java中的不可变类

不可变类（Immutable Objects）：当类的实例一经创建，其内容便不可改变，即无法修改其成员变量。

可变类（Mutable Objects）：类的实例创建后，可以修改其内容。

Java 中八个基本类型的包装类和 String 类都属于不可变类，而其他的大多数类都属于可变类。

与引用不可变的区别

需要特别注意的是，不可变类的不可变是指该类的实例不可变而非指向该实例的引用的不可变。

String s = "abc";
System.out.println("s:" + s);  // 输出s:abc
s = "xyz";
System.out.println("s:" + s);  // 输出s:xyz

以上代码显示，不可变类 String 貌似是可以改变值的，但实际上并不是。变量 s 只是一个指向 String 类的实例的引用，存储的是实例对象在内存中的地址。代码中第三行的 “改变” 实际上是新实例化了一个 String 对象，并将 s 的指向修改到新对象上，而原来的对象在内存中并未发生变化，只是少了一个指向它的引用，并且在未来被垃圾回收前它都将保持不变。

public class Immutable {
 
    public static void main(String[] args) {
        String str = new String("abc");
        String str2 = str;
        System.out.println(str == str2); // true
        str2 = "cba";
        System.out.println(str == str2); // false
 
        System.out.println(str == row(str)); // true
        System.out.println(str == other(str)); // false
    }
 
    static private String row(String s){
        return s;
    }
    static private String other(String s){
        s="xyz"; //此处形参 s 指向了新的String对象，引用的地址发生变化
        return s;
    }
}

如此我们看到，对于不可变类的对象，都是通过新创建一个对象并将引用指向新对象来实现 变化 的。

通常，使用关键字 final 修饰的字段初始化后是不可变的，而这种不可变就是指引用的不可变。具体就是该引用所指对象的内存地址是不可变的，但并非该对象不可变。如果该对象也不可变，那么该对象就是不可变类的一个实例。

public class Immutable {
 
    public static void main(String[] args) {
        Immutable immutable = new Immutable();
        final Inner inner = immutable.new Inner();
        inner.value = 123; // 实例可变
        // 下面语句编译错误，inner 是final的，无法让它指向新的对象(改变指向地址)
        // inner = it.new Inner();
        Inner inner2 = inner; // 复制了一份引用，inner和inner2指向同一个对象
        System.out.println(inner); // 将调用 toString 方法输出对象内存地址
        System.out.println(inner2); // inner和inner2具有相同的地址
        System.out.println(inner.value); // 输出 123
        System.out.println(inner2.value); // 输出123
        inner2.value = 321;
        System.out.println(inner); // 输出321
    }
 
    class Inner{
        private int value;
    }
}

不可变类是如何实现的

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。

因此，一个不可变类的定义应当具备以下特征：

1. 所有成员都是 private final 的
2. 不提供对成员的改变方法，例如：setXXXX
3. 确保所有的方法不会被重载。手段有两种：使用final Class(强不可变类)，或者将所有类方法加上final(弱不可变类)。
4. 如果某一个类成员不是基本类型（primitive type）或不可变类，必须通过在成员初始化(in)或者getter方法(out)时通过深度拷贝（即复制一个该类的新实例而非引用）方法，来确保类的不可变。
5. 如果有必要，重写hashCode和equals方法，同时应保证两个用equals方法判断为相等的对象，其hashCode也应相等。

下面是一个示例：

public final class ImmutableDemo {  
    private final int[] myArray;  
    public ImmutableDemo(int[] array) {
    // this.myArray = array; // 错误！
    this.myArray = array.clone(); // 正确
  }  
  public int[] get(){
    return myArray.clone();
  }
}

上例中错误的方法不能保证不可变性，myArray 和形参 array 指向同一块内存地址，用户可以在 ImmutableDemo 实例之外通过修改 array 对象的值来改变实例内部 myArray 的值。正确的做法是通过深拷贝将 array 的值传递给 myArray 。同样， getter 方法中不能直接返回对象本身，而应该是克隆对象并返回对象的拷贝，这种做法避免了对象外泄，防止通过 getter 获得内部可变成员对象后对成员变量直接操作，导致成员变量发生改变。

对于不可变类，String 是一个典型例子，看看它的源码也有助于我们设计不可变类。

不可变类的优点

不可变类有两个主要有点，效率和安全。

• 效率

  当一个对象是不可变的，那么需要拷贝这个对象的内容时，就不用复制它的本身而只是复制它的地址，复制地址（通常一个指针的大小）只需要很小的内存空间，具有非常高的效率。同时，对于引用该对象的其他变量也不会造成影响。

  此外，不变性保证了hashCode 的唯一性，因此可以放心地进行缓存而不必每次重新计算新的哈希码。而哈希码被频繁地使用, 比如在hashMap 等容器中。将hashCode 缓存可以提高以不变类实例为key的容器的性能。

• 线程安全

  在多线程情况下，一个可变对象的值很可能被其他进程改变，这样会造成不可预期的结果，而使用不可变对象就可以避免这种情况同时省去了同步加锁等过程，因此不可变类是线程安全的。

当然，不可变类也有缺点：不可变类的每一次“改变”都会产生新的对象，因此在使用中不可避免的会产生很多垃圾。