通過實(shí)例解析Java不可變對象原理

更新時(shí)間：2020年10月27日 10:05:10 作者：Matrix海子

這篇文章主要介紹了通過實(shí)例解析Java不可變對象原理,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,需要的朋友可以參考下

　　不可變對象想必大部分朋友都不陌生，大家在平時(shí)寫代碼的過程中100%會(huì)使用到不可變對象，比如最常見的String對象、包裝器對象等，那么到底為何Java語言要這么設(shè)計(jì)，真正意圖和考慮點(diǎn)是什么？可能一些朋友沒有細(xì)想過這些問題，今天我們就來聊聊跟不可變對象有關(guān)的話題。

一.什么是不可變對象

　　下面是《Effective Java》這本書對于不可變對象的定義：

不可變對象(Immutable Object)：對象一旦被創(chuàng)建后，對象所有的狀態(tài)及屬性在其生命周期內(nèi)不會(huì)發(fā)生任何變化。

　　從不可變對象的定義來看，其實(shí)比較簡單，就是一個(gè)對象在創(chuàng)建后，不能對該對象進(jìn)行任何更改。比如下面這段代碼：

public class ImmutableObject {
  private int value;
   
  public ImmutableObject(int value) {
    this.value = value;
  }
   
  public int getValue() {
    return this.value;
  }
}

　　由于ImmutableObject不提供任何setter方法，并且成員變量value是基本數(shù)據(jù)類型，getter方法返回的是value的拷貝，所以一旦ImmutableObject實(shí)例被創(chuàng)建后，該實(shí)例的狀態(tài)無法再進(jìn)行更改，因此該類具備不可變性。

　　再比如我們平時(shí)用的最多的String：

public class Test {
 
  public static void main(String[] args) {
    String str = "I love java";
    String str1 = str;
 
    System.out.println("after replace str:" + str.replace("java", "Java"));
    System.out.println("after replace str1:" + str1);
  }
}

　　輸出結(jié)果：

　　從輸出結(jié)果可以看出，在對str進(jìn)行了字符串替換替換之后，str1指向的字符串對象仍然沒有發(fā)生變化。

二.深入理解不可變性

　　我們是否考慮過一個(gè)問題：假如Java中的String、包裝器類設(shè)計(jì)成可變的ok么？如果String對象可變了，會(huì)帶來哪些問題？

　　我們這一節(jié)主要來聊聊不可變對象存在的意義。

1）讓并發(fā)編程變得更簡單

　　說到并發(fā)編程，可能很多朋友都會(huì)覺得最苦惱的事情就是如何處理共享資源的互斥訪問，可能稍不留神，就會(huì)導(dǎo)致代碼上線后出現(xiàn)莫名其妙的問題，并且大部分并發(fā)問題都不是太容易進(jìn)行定位和復(fù)現(xiàn)。所以即使是非常有經(jīng)驗(yàn)的程序員，在進(jìn)行并發(fā)編程時(shí)，也會(huì)非常的小心，內(nèi)心如履薄冰。

　　大多數(shù)情況下，對于資源互斥訪問的場景，都是采用加鎖的方式來實(shí)現(xiàn)對資源的串行訪問，來保證并發(fā)安全，如synchronize關(guān)鍵字，Lock鎖等。但是這種方案最大的一個(gè)難點(diǎn)在于：在進(jìn)行加鎖和解鎖時(shí)需要非常地慎重。如果加鎖或者解鎖時(shí)機(jī)稍有一點(diǎn)偏差，就可能會(huì)引發(fā)重大問題，然而這個(gè)問題Java編譯器無法發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行單元測試、集成測試時(shí)可能也發(fā)現(xiàn)不了，甚至程序上線后也能正常運(yùn)行，但是可能突然在某一天，它就莫名其妙地出現(xiàn)了。

　　既然采用串行方式來訪問共享資源這么容易出現(xiàn)問題，那么有沒有其他辦法來解決呢？

　　事實(shí)上，引起線程安全問題的根本原因在于：多個(gè)線程需要同時(shí)訪問同一個(gè)共享資源。

　　假如沒有共享資源，那么多線程安全問題就自然解決了，Java中提供的ThreadLocal機(jī)制就是采取的這種思想。

　　然而大多數(shù)時(shí)候，線程間是需要使用共享資源互通信息的，如果共享資源在創(chuàng)建之后就完全不再變更，如同一個(gè)常量，而多個(gè)線程間并發(fā)讀取該共享資源是不會(huì)存在線上安全問題的，因?yàn)樗芯€程無論何時(shí)讀取該共享資源，總是能獲取到一致的、完整的資源狀態(tài)。

　　不可變對象就是這樣一種在創(chuàng)建之后就不再變更的對象，這種特性使得它們天生支持線程安全，讓并發(fā)編程變得更簡單。

　　我們來看一個(gè)例子，這個(gè)例子來源于：http://ifeve.com/immutable-objects/

public class SynchronizedRGB {
  private int red; // 顏色對應(yīng)的紅色值
  private int green; // 顏色對應(yīng)的綠色值
  private int blue; // 顏色對應(yīng)的藍(lán)色值
  private String name; // 顏色名稱
 
  private void check(int red, int green, int blue) {
    if (red < 0 || red > 255 || green < 0 || green > 255
        || blue < 0 || blue > 255) {
      throw new IllegalArgumentException();
    }
  }
 
  public SynchronizedRGB(int red, int green, int blue, String name) {
    check(red, green, blue);
    this.red = red;
    this.green = green;
    this.blue = blue;
    this.name = name;
  }
 
  public void set(int red, int green, int blue, String name) {
    check(red, green, blue);
    synchronized (this) {
      this.red = red;
      this.green = green;
      this.blue = blue;
      this.name = name;
    }
  }
 
  public synchronized int getRGB() {
    return ((red << 16) | (green << 8) | blue);
  }
 
  public synchronized String getName() {
    return name;
  }
}

　　例如一個(gè)有個(gè)線程1執(zhí)行了以下代碼：

SynchronizedRGB color = new SynchronizedRGB(0, 0, 0, "Pitch Black");
int myColorInt = color.getRGB(); // Statement1
String myColorName = color.getName(); // Statement2

　　然后有另外一個(gè)線程2在Statement 1之后、Statement 2之前調(diào)用了color.set方法：

color.set(0, 255, 0, "Green");

　　那么在線程1中變量myColorInt的值和myColorName的值就會(huì)不匹配。為了避免出現(xiàn)這樣的結(jié)果，必須要像下面這樣把這兩條語句綁定到一塊執(zhí)行：

synchronized (color) {
  int myColorInt = color.getRGB();
  String myColorName = color.getName();
}

　　假如SynchronizedRGB是不可變類，那么就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，比如將SynchronizedRGB改成下面這種實(shí)現(xiàn)方式：

public class ImmutableRGB {
  private int red;
  private int green;
  private int blue;
  private String name;
 
  private void check(int red, int green, int blue) {
    if (red < 0 || red > 255 || green < 0 || green > 255
        || blue < 0 || blue > 255) {
      throw new IllegalArgumentException();
    }
  }
 
  public ImmutableRGB(int red, int green, int blue, String name) {
    check(red, green, blue);
    this.red = red;
    this.green = green;
    this.blue = blue;
    this.name = name;
  }
 
  public ImmutableRGB set(int red, int green, int blue, String name) {
    return new ImmutableRGB(red, green, blue, name);
  }
 
  public int getRGB() {
    return ((red << 16) | (green << 8) | blue);
  }
 
  public String getName() {
    return name;
  }
}

　　由于set方法并沒有改變原來的對象，而是新創(chuàng)建了一個(gè)對象，所以無論線程1或者線程2怎么調(diào)用set方法，都不會(huì)出現(xiàn)并發(fā)訪問導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不一致的問題。

2）消除副作用

　　很多時(shí)候一些很嚴(yán)重的bug是由于一個(gè)很小的副作用引起的，并且由于副作用通常不容易被察覺，所以很難在編寫代碼以及代碼review過程中發(fā)現(xiàn)，并且即使發(fā)現(xiàn)了也可能會(huì)花費(fèi)很大的精力才能定位出來。

　　舉個(gè)簡單的例子：

class Person {
  private int age;  // 年齡
  private String identityCardID; // 身份證號碼
 
  public int getAge() {
    return age;
  }
 
  public void setAge(int age) {
    this.age = age;
  }
 
  public String getIdentityCardID() {
    return identityCardID;
  }
 
  public void setIdentityCardID(String identityCardID) {
    this.identityCardID = identityCardID;
  }
}
 
 
public class Test {
 
  public static void main(String[] args) {
    Person jack = new Person();
    jack.setAge(101);
    jack.setIdentityCardID("42118220090315234X");
 
    System.out.println(validAge(jack));
　　　　
　　　　// 后續(xù)使用可能沒有察覺到j(luò)ack的age被修改了
　　　　// 為后續(xù)埋下了不容易察覺的問題
 
  }
 
  public static boolean validAge(Person person) {
    if (person.getAge() >= 100) {
      person.setAge(100); // 此處產(chǎn)生了副作用
      return false;
    }
    return true;
  }
 
}

　　validAge函數(shù)本身只是對age大小進(jìn)行判斷，但是在這個(gè)函數(shù)里面有一個(gè)副作用，就是對參數(shù)person指向的對象進(jìn)行了修改，導(dǎo)致在外部的jack指向的對象也發(fā)生了變化。

　　如果Person對象是不可變的，在validAge函數(shù)中是無法對參數(shù)person進(jìn)行修改的，從而避免了validAge出現(xiàn)副作用，減少了出錯(cuò)的概率。

3）減少容器使用過程出錯(cuò)的概率

　　我們在使用HashSet時(shí)，如果HashSet中元素對象的狀態(tài)可變，就會(huì)出現(xiàn)元素丟失的情況，比如下面這個(gè)例子：

class Person {
  private int age;  // 年齡
  private String identityCardID; // 身份證號碼
 
  public int getAge() {
    return age;
  }
 
  public void setAge(int age) {
    this.age = age;
  }
 
  public String getIdentityCardID() {
    return identityCardID;
  }
 
  public void setIdentityCardID(String identityCardID) {
    this.identityCardID = identityCardID;
  }
 
  @Override
  public boolean equals(Object obj) {
    if (obj == null) {
      return false;
    }
 
    if (!(obj instanceof Person)) {
      return false;
    }
    Person personObj = (Person) obj;
    return this.age == personObj.getAge() && this.identityCardID.equals(personObj.getIdentityCardID());
  }
 
  @Override
  public int hashCode() {
    return age * 37 + identityCardID.hashCode();
  }
}
 
 
public class Test {
 
  public static void main(String[] args) {
    Person jack = new Person();
    jack.setAge(10);
    jack.setIdentityCardID("42118220090315234X");
 
    Set<Person> personSet = new HashSet<Person>();
    personSet.add(jack);
 
    jack.setAge(11);
 
    System.out.println(personSet.contains(jack));
 
  }
}

　輸出結(jié)果：　

　　所以在Java中，對于String、包裝器這些類，我們經(jīng)常會(huì)用他們來作為HashMap的key，試想一下如果這些類是可變的，將會(huì)發(fā)生什么？后果不可預(yù)知，這將會(huì)大大增加Java代碼編寫的難度。

三.如何創(chuàng)建不可變對象

　　通常來說，創(chuàng)建不可變類原則有以下幾條：

　　1）所有成員變量必須是private

　　2）最好同時(shí)用final修飾(非必須)

　　3）不提供能夠修改原有對象狀態(tài)的方法

最常見的方式是不提供setter方法

如果提供修改方法，需要新創(chuàng)建一個(gè)對象，并在新創(chuàng)建的對象上進(jìn)行修改

　　4）通過構(gòu)造器初始化所有成員變量，引用類型的成員變量必須進(jìn)行深拷貝(deep copy)

　　5）getter方法不能對外泄露this引用以及成員變量的引用

　　6）最好不允許類被繼承(非必須)

　　JDK中提供了一系列方法方便我們創(chuàng)建不可變集合，如：

Collections.unmodifiableList(List<? extends T> list)

　　另外，在Google的Guava包中也提供了一系列方法來創(chuàng)建不可變集合，如：

ImmutableList.copyOf(list)

　　這2種方式雖然都能創(chuàng)建不可變list，但是兩者是有區(qū)別的，JDK自帶提供的方式實(shí)際上創(chuàng)建出來的不是真正意義上的不可變集合，看unmodifiableList方法的實(shí)現(xiàn)就知道了：

　　可以看出，實(shí)際上UnmodifiableList是將入?yún)ist的引用復(fù)制了一份，同時(shí)將所有的修改方法拋出UnsupportedOperationException。因此如果在外部修改了入?yún)ist，實(shí)際上會(huì)影響到UnmodifiableList，而Guava包提供的ImmutableList是真正意義上的不可變集合，它實(shí)際上是對入?yún)ist進(jìn)行了深拷貝。看下面這段測試代碼的結(jié)果便一目了然：

public class Test {
 
  public static void main(String[] args) {
    List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
    list.add(1);
    System.out.println(list);
 
    List unmodifiableList = Collections.unmodifiableList(list);
    ImmutableList immutableList = ImmutableList.copyOf(list);
 
    list.add(2);
    System.out.println(unmodifiableList);
    System.out.println(immutableList);
 
  }
 
}

　　輸出結(jié)果：

四.不可變對象真的"完全不可改變"嗎？

　　不可變對象雖然具備不可變性，但是不是"完全不可變"的，這里打上引號是因?yàn)橥ㄟ^反射的手段是可以改變不可變對象的狀態(tài)的。

　　大家看到這里可能有疑惑了，為什么既然能改變，為何還叫不可變對象？這里面大家不要誤會(huì)不可變的本意，從不可變對象的意義分析能看出來對象的不可變性只是用來輔助幫助大家更簡單地去編寫代碼，減少程序編寫過程中出錯(cuò)的概率，這是不可變對象的初衷。如果真要靠通過反射來改變一個(gè)對象的狀態(tài)，此時(shí)編寫代碼的人也應(yīng)該會(huì)意識到此類在設(shè)計(jì)的時(shí)候就不希望其狀態(tài)被更改，從而引起編寫代碼的人的注意。下面是通過反射方式改變不可變對象的例子：

public class Test {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    String s = "Hello World";
    System.out.println("s = " + s);
 
    Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");
    valueFieldOfString.setAccessible(true);
 
    char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);
    value[5] = '_';
    System.out.println("s = " + s);
  }
 
}

　　輸出結(jié)果：