為什么 String 是 immutable 類

2020-03-20 16:02:55來源:博客園 閱讀 ()

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為什么 String 是 immutable 類

二哥,你能給我說說為什么 String 是 immutable 類(不可變對象)嗎?我想研究它,想知道為什么它就不可變了,這種強烈的愿望就像想研究浩瀚的星空一樣。但無奈自身功力有限,始終覺得霧里看花終隔一層。二哥你的文章總是充滿趣味性,我想一定能夠說明白,我也一定能夠看明白,能在接下來寫一寫嗎?

收到讀者小 R 的私信后,我就總感覺自己有一種義不容辭的責任,非要把 immutable 類說明白,否則我就怎么地——你說了算!

01、什么是不可變類

一個類的對象在通過構造方法創建后如果狀態不會再被改變,那么它就是一個不可變(immutable)類。它的所有成員變量的賦值僅在構造方法中完成,不會提供任何 setter 方法供外部類去修改。

還記得《神雕俠侶》中小龍女的古墓嗎?隨著那一聲巨響,僅有的通道就被無情地關閉了。別較真那個密道,我這么說只是為了打開你的想象力,讓你對不可變類有一個更直觀的印象。

自從有了多線程,生產力就被無限地放大了,所有的程序員都愛它,因為強大的硬件能力被充分地利用了。但與此同時,所有的程序員都對它心生忌憚,因為一不小心,多線程就會把對象的狀態變得混亂不堪。

為了保護狀態的原子性、可見性、有序性,我們程序員可以說是竭盡所能。其中,synchronized(同步)關鍵字是最簡單最入門的一種解決方案。

假如說類是不可變的,那么對象的狀態就也是不可變的。這樣的話,每次修改對象的狀態,就會產生一個新的對象供不同的線程使用,我們程序員就不必再擔心并發問題了。

02、常見的不可變類

提到不可變類,幾乎所有的程序員第一個想到的,就是 String 類。那為什么 String 類要被設計成不可變的呢?

1)常量池的需要

字符串常量池是 Java 堆內存中一個特殊的存儲區域,當創建一個 String 對象時,假如此字符串在常量池中不存在,那么就創建一個;假如已經存,就不會再創建了,而是直接引用已經存在的對象。這樣做能夠減少 JVM 的內存開銷,提高效率。

2)hashCode 的需要

因為字符串是不可變的,所以在它創建的時候,其 hashCode 就被緩存了,因此非常適合作為哈希值(比如說作為 HashMap 的鍵),多次調用只返回同一個值,來提高效率。

3)線程安全

就像之前說的那樣,如果對象的狀態是可變的,那么在多線程環境下,就很容易造成不可預期的結果。而 String 是不可變的,就可以在多個線程之間共享,不需要同步處理。

因此,當我們調用 String 類的任何方法(比如說 trim()substring()toLowerCase())時,總會返回一個新的對象,而不影響之前的值。

String cmower = "沉默王二,一枚有趣的程序員";
cmower.substring(0,4);
System.out.println(cmower);// 沉默王二,一枚有趣的程序員

雖然調用 substring() 方法對 cmower 進行了截取,但 cmower 的值沒有改變。

除了 String 類,包裝器類 Integer、Long 等也是不可變類。

03、自定義不可變類

看懂一個不可變類也許容易,但要創建一個自定義的不可變類恐怕就有點難了。但知難而進是我們作為一名優秀的程序員不可或缺的品質,正因為不容易,我們才能真正地掌握它。

接下來,就請和我一起,來自定義一個不可變類吧。一個不可變誒,必須要滿足以下 4 個條件:

1)確保類是 final 的,不允許被其他類繼承。

2)確保所有的成員變量(字段)是 final 的,這樣的話,它們就只能在構造方法中初始化值,并且不會在隨后被修改。

3)不要提供任何 setter 方法。

4)如果要修改類的狀態,必須返回一個新的對象。

按照以上條件,我們來自定義一個簡單的不可變類 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 類是 final 的,name 和 age 也是 final 的,沒有 setter 方法。

OK,據說這個作者分享了很多博客,廣受讀者的喜愛,因此某某出版社找他寫了一本書(Book)。Book 類是這樣定義的:

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 個字段,分別是 name 和 price,以及 getter 和 setter,重寫后的 toString() 方法。然后,在 Writer 類中追加一個可變對象字段 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;
    }
}

并在構造方法中追加了 Book 參數,以及 Book 的 getter 方法。

完成以上工作后,我們來新建一個測試類,看看 Writer 類的狀態是否真的不可變。

public class WriterDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Book book = new Book();
        book.setName("Web全棧開發進階之路");
        book.setPrice(79);

        Writer writer = new Writer("沉默王二",18, book);
        System.out.println("定價:" + writer.getBook());
        writer.getBook().setPrice(59);
        System.out.println("促銷價:" + writer.getBook());
    }
}

程序輸出的結果如下所示:

定價:Book{name='Web全棧開發進階之路', price=79}
促銷價:Book{name='Web全棧開發進階之路', price=59}

糟糕,Writer 類的不可變性被破壞了,價格發生了變化。為了解決這個問題,我們需要為不可變類的定義規則追加一條內容:

如果一個不可變類中包含了可變類的對象,那么就需要確保返回的是可變對象的副本。也就是說,Writer 類中的 getBook() 方法應該修改為:

public Book getBook() {
    Book clone = new Book();
    clone.setPrice(this.book.getPrice());
    clone.setName(this.book.getName());
    return clone;
}

這樣的話,構造方法初始化后的 Book 對象就不會再被修改了。此時,運行 WriterDemo,就會發現價格不再發生變化了。

定價:Book{name='Web全棧開發進階之路', price=79}
促銷價:Book{name='Web全棧開發進階之路', price=79}

04、總結

不可變類有很多優點,就像之前提到的 String 類那樣,尤其是在多線程環境下,它非常的安全。盡管每次修改都會創建一個新的對象,增加了內存的消耗,但這個缺點相比它帶來的優點,顯然是微不足道的——無非就是撿了西瓜,丟了芝麻。

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