Java 的不可变类 (IMMUTABLE CLASS) 和 可变类 (MUTABLE CLASS)

Posted 2021-11-27 shoshana-kong

 

一、简单定义
不可变对象(Immutable Objects)即对象一旦被创建，它的状态(对象的数据，也即对象属性值)就不能改变，反之即为可变对象(Mutable Objects)。
当满足以下条件时，对象才是不可变的：
1. 对象创建以后其状态就不能修改。
2. 对象的所有域都是final类型。
3. 对象是正确创建的(在对象的创建期间，this引用没有逸出)。
不可变对象的类即为不可变类(Immutable Class)。Java平台类库中包含许多不可变类，如String、基本类型的包装类、BigInteger和BigDecimal等。
对于String和StringBuilder，String是immutable的，每次对String对象的修改都将产生一个新的String对象，而原来的对象保持不变。而StringBuilder是mutable，因为每次对于它的对象的修改都作用于该对象本身，并没有产生新的对象。

二、优缺点
不可变对象有很多优点:
1. 构造、测试和使用都很简单。
2. 线程安全且没有同步问题，不需要担心数据会被其它线程修改。因为在多线程同时进行的情况下，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。
3. 当用作类的属性时不需要保护性拷贝。
4. 可以很好的用作Map键值和Set元素。
不可变对象最大的缺点就是创建对象的开销，因为每一步操作都会产生一个新的对象。

三、编写不可变类

 

可以遵照以下几点来编写一个不可变类:
1. 类应该定义成final，避免被继承。将类声明为final (强不可变类)，或者将所有类方法加上final(弱不可变类)。或者使用静态工厂并声明构造器为private。
2. 声明属性为 private 和 final 。
3. 不要提供任何可以修改对象状态的方法：不仅仅是set方法，还有任何其它可以改变状态的方法。
4. 如果类有任何可变对象属性，那么当它们在类和类的调用者间传递的时候必须被保护性拷贝。如果某一个类成员不是原始变量(primitive)或者不可变类，必须通过在成员初始化(in)或者get方法(out)时通过深度clone方法，来确保类的不可变。
注意：get 方法不要把类里的成员变量让外部客户端引用，当需要访问成员变量时，返回成员变量的copy。构造函数不要引用外部可变对象，如果需要引用可以在外部改变值的变量，应该在构造函数里进行defensive copy。

import java.util.Date;

/**
 * Planet是一个不可变类，因为当它构造完成之后没有办法改变它的状态
 */

final class Planet {
    /**
     * 声明为final的基本类型数据总是不可变的
     */
    private final double fMass;

    /**
     * 不可变的对象属性 (String对象不可变)
     */
    private final String fName;

    /**
     * 可变的对象属性. 在这种情况下, 这个可变属性只能被这个类改变。
     * (在其它情况下, 允许在原生类外部改变一个属性是很有意义的;
     * 这种情况就是当属性作为其它地方创建的一个对象引用)
     */
    private final Date fDateOfDiscovery;

    public Planet(double aMass, String aName, Date aDateOfDiscovery) {
        fMass = aMass;
        fName = aName;
        //创建aDateOfDiscovery的一个私有拷贝，而不是外部变量的引用。
        //这是保持fDateOfDiscovery属性为private的唯一方式, 并且保护这个
        //类不受调用者对于原始aDateOfDiscovery对象所做任何改变的影响
        fDateOfDiscovery = new Date(aDateOfDiscovery.getTime());
    }

    /**
     * 返回一个基本类型值.
     * <p>
     * 调用者可以随意改变返回值,但是不会影响类内部。
     */
    public double getMass() {
        return fMass;
    }

    /**
     * 返回一个不可变对象
     * <p>
     * 调用者得到内部属性的一个直接引用. 由于String是不可变的所以没什么影响
     */
    public String getName() {
        return fName;
    }

    // /**
//      * 返回一个可变对象 - 不是一个好的方式.
//      *
//      * 调用者得到内部属性的一个直接引用. 这通常很危险,因为Date对象既可以
//      * 被这个类改变也可以被它的调用者改变. 即, 类不再对fDate拥有绝对的控制。
//      */
//    public Date getDateOfDiscovery() {
//        return fDateOfDiscovery;
//    }

    /**
     * 返回一个可变对象 - 好的方式.
     * <p>
     * 返回属性的一个保护性拷贝.调用者可以任意改变返回的Date对象,但是不会
     * 影响类的内部.为什么? 因为它们没有fDate的一个引用. 更准确的说, 它们
     * 使用的是和fDate有着相同数据的另一个Date的拷贝对象
     */
    public Date getDateOfDiscovery() {
        return new Date(fDateOfDiscovery.getTime());
    }
}

public class ImmutableClass {
    /**
     * 测试方法
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        Planet planet = new Planet(1.0D, "earth", new Date());
        Date date = planet.getDateOfDiscovery();
        date.setTime(888_888_888L);
        System.out.println("the value of fDateOfDiscovery of internal class : " + planet.getDateOfDiscovery().getTime());
        System.out.println("the value of date after change its value : " + date.getTime());
    }
}

运行结果如下：

the value of fDateOfDiscovery of internal class : 1453794489406
the value of date after change its value : 888888888

由此可见Planet类的属性fDateOfDiscovery在对象构造完成之后就没有再改变。

四、使用场景
不可变类最适合表示抽象数据类型（如数字、枚举类型或颜色）的值。
另一个适合用不可变类实现的好示例就是 事件 。事件的生命期较短，而且常常会在创建它们的线程之外的线程中消耗，所以使它们成为不可变的是利大于弊。同样地，在 通信系统的 组件间 进行 消息传递，将消息对象设计成不可变的是明智的。
但有的时候String的immutable特性也会引起安全问题，这就是密码应该存放在字符数组中而不是String中的原因！
1. 由于String在Java中是不可变的，如果你将密码以明文的形式保存成字符串，那么它将一直留在内存中，直到垃圾收集器把它清除。而由于字符串被放在字符串缓冲池中以方便重复使用，所以它就可能在内存中被保留很长时间，而这将导致安全隐患，因为任何能够访问内存(memory dump内存转储)的人都能清晰的看到文本中的密码，这也是为什么你应该总是使用加密的形式而不是明文来保存密码。由于字符串是不可变的，所以没有任何方式可以修改字符串的值，因为每次修改都将产生新的字符串，然而如果你使用char[]来保存密码，你仍然可以将其中所有的元素都设置为空或者零。所以将密码保存到字符数组中很明显的降低了密码被窃取的风险。
2. Java本身也推荐使用JPasswordField组件的getPassword()方法，该方法将返回一个字符数组，而放弃了原来的getText()方法，这个方法把密码以明文的形式返回而可能会引起安全问题。
这就是为什么使用字符数组存储密码比字符串更好的原因。只使用字符数组也是不够的，为了更安全你需要将数组内容进行转化。建议使用哈希的或者是加密过的密码而不是明文，然后一旦完成验证，就将它从内存中清除掉。

 

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