Java中如何创建不可变(immutable)类

什么是不可变类

1. 不可变类是指类的实例一经创建完成，这个实例的内容就不会改变。

2. Java中的String和八个基本类型的包装类(Integer, Short, Byte, Long, Double, Float,Boolean,Char)都是不可变类

3.不可变类 vs 不可变变量：

二者是不一样的。

不可变类是指类的实例内容不会改变，考虑如下代码：

String s = "ABC";
s = "BCD"
System.out.println("s:"+s);
//output s:BCD

 在line 2中我们对s变量进行了再次赋值，实际上是又创建了一个值为"BCD"的String 对象，并将s指向它。变化的是s指向的内存地址（或者简单的叫指针），值为"ABC" 与值为"BCD"的两个String 对象是没有变的。

 不可变变量是用Final关键字修饰的变量，考虑如下代码：

final String s = "ABC";
s = "BCD" //此行报错，不能给final变量赋值
System.out.println("s:"+s);

我们将s变量用final关键字修饰，这时在s被初始化之后，就无法在line 2 再次给它赋值了，也就是说我们没办法改变final变量指向的内存地址。

 

如何实现一个不可变类

1. 所有的成员变量声明为private final，防止初始化后被修改

2. 类声明为final,禁止继承，其实是防止类中的方法被重写

3. 不为成员变量提供setter方法

4. 如果类中包含可变对象，比如一个成员变量是数组，或者其他可变类，那么要有如下操作：

1）在构造方法中，如果构造方法会传入可变对象，我们要使用这个对象的copy来初始化我们的成员变量，而不是直接使用传入的对象。因为传入的是指针，传入的对象在外面可能会被修改，如果直接引用的话会导致我们的成员变量也间接被修改。

2) 在返回这些可变对象的getter方法中，返回对象的copy，而不是直接返回该对象（或者叫该对象的引用/指针）

实例：

package org.adeline.learning;

import java.util.Arrays;

public final class Immutable {
    private final int vInt;
    private final String vStr;
    private final int[] vArr;

    public Immutable(int vInt, String vStr, int[] vArr) {
        this.vInt = vInt;
        this.vStr = vStr;
        //this.vArr = vArr; //不正确
        this.vArr = vArr.clone();//使用传入数组的copy初始化
    }

    public int[] getVArr() {
        //return vArr; //不正确
        return vArr.clone(); //返回数组的copy
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[]{3,4};
        Immutable im = new Immutable(1,"2", arr);
        int[] arr1 = im.getVArr();
        Arrays.stream(arr1).forEach((e) -> {System.out.println(e);});
        arr[0] = 33;
        arr[1] = 44;
        Arrays.stream(arr1).forEach((e) -> {System.out.println(e);});
    }

}

下面探讨一下为何类也需要声明为final. 考虑如下代码：

public class ImmutableChild extends Immutable{
    private int[] vArr;
    public ImmutableChild(int vInt, String vStr, int[] vArr) {
        super(vInt, vStr, vArr);
        this.vArr = vArr;
    }
    @Override
    public int[] getVArr() { //父类中的方法被重写，返回的是子类中的vArr
        return vArr;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Immutable imNG = new ImmutableChild(1,"2", new int[]{3,4});
        imNG.getVArr()[0] = 33;
        imNG.getVArr()[1] = 44;
        Arrays.stream(imNG.getVArr()).forEach(e -> {System.out.println(e);});//output 33,44
    }
}

我们把上面Immutable 类的final 声明去掉，ImmutableChild继承了Immutable类，重写了getVArr方法，返回自己的成员变量数组vArr，而这个子类里面的vArr是可变的，在main方法里面初始化时我们给其赋值{3,4},可以看到后面我们改成了{33,44}. 

在使用中，任何一个接受Immutable实例的地方都可以接受其子类ImmutableChild实例，并将它作为一个不可变的实例来操作，而实际上它是可变的，这样就有可能出错。

所以把不可变类声明为final是为了防止恶意继承，或者继承中考虑不周密导致的问题。

 

不可变类的优点与用途

1. 线程安全，省去了加锁的过程，因为对象内容不可变就不用担心线程同时对对象做修改

2. 拷贝效率高。当类不可变时， 拷贝其对象只需拷贝指针即可，而不用拷贝对象本身,不用担心会被修改

3. 可以作为HashMap的key，类不可变保证了Hashcode的稳定性。

 

当然，也要注意不可变类在使用过程中可能出现的内存浪费问题，比如大家都知道的最好不要用许多"+"连接String