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?
https://github.com/itwanger/toBeBetterJavaer
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、手撸不可变类
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。