Java 中不可變對(duì)象 String 真的"完全不可改變"嗎？
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Java 中不可變對(duì)象 String 真的"完全不可改變"嗎？
不可變對(duì)象想必大部分朋友都不陌生，大家在平時(shí)寫(xiě)代碼的過(guò)程中 100% 會(huì)使用到不可變對(duì)象，比如最常見(jiàn)的 String 對(duì)象、包裝器對(duì)象等，那么到底為何 Java 語(yǔ)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(méi)有細(xì)想過(guò)這些問(wèn)題，今天我們就來(lái)聊聊跟不可變對(duì)象有關(guān)的話題。
以下是本文目錄大綱：
什么是不可變對(duì)象 深入理解不可變性 如何創(chuàng)建不可變對(duì)象 不可變對(duì)象真的"完全不可改變"嗎？
什么是不可變對(duì)象
下面是《Effective Java》這本書(shū)對(duì)于不可變對(duì)象的定義：
?不可變對(duì)象(Immutable Object)：對(duì)象一旦被創(chuàng)建后，對(duì)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(duì)象的定義來(lái)看，其實(shí)比較簡(jiǎn)單，就是一個(gè)對(duì)象在創(chuàng)建后，不能對(duì)該對(duì)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(lèi)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(wú)法再進(jìn)行更改，因此該類(lèi)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(duì) str 進(jìn)行了字符串替換替換之后，str1 指向的字符串對(duì)象仍然沒(méi)有發(fā)生變化。
深入理解不可變性
我們是否考慮過(guò)一個(gè)問(wèn)題：假如 Java 中的 String、包裝器類(lèi)設(shè)計(jì)成可變的 ok 么？如果 String 對(duì)象可變了，會(huì)帶來(lái)哪些問(wèn)題？
我們這一節(jié)主要來(lái)聊聊不可變對(duì)象存在的意義。
讓并發(fā)編程變得更簡(jiǎn)單
說(shuō)到并發(fā)編程，可能很多朋友都會(huì)覺(jué)得最苦惱的事情就是如何處理共享資源的互斥訪問(wèn)，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(wèn)題，并且大部分并發(fā)問(wèn)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(duì)于資源互斥訪問(wèn)的場(chǎng)景，都是采用加鎖的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的串行訪問(wèn)，來(lái)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(wèn)題，然而這個(gè)問(wèn)題Java編譯器無(wú)法發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行單元測(cè)試、集成測(cè)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(lái)訪問(wèn)共享資源這么容易出現(xiàn)問(wèn)題，那么有沒(méi)有其他辦法來(lái)解決呢？
事實(shí)上，引起線程安全問(wèn)題的根本原因在于：多個(gè)線程需要同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)共享資源。
假如沒(méi)有共享資源，那么多線程安全問(wèn)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(wèn)題的，因?yàn)樗芯€程無(wú)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(duì)象就是這樣一種在創(chuàng)建之后就不再變更的對(duì)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(jiǎn)單。
我們來(lái)看一個(gè)例子：
public class SynchronizedRGB {
private int red; // 顏色對(duì)應(yīng)的紅色值
private int green; // 顏色對(duì)應(yīng)的綠色值
private int blue; // 顏色對(duì)應(yīng)的藍(lán)色值
private String name; // 顏色名稱(chēng)
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(yǔ)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(lèi)，那么就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)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(méi)有改變?cè)瓉?lái)的對(duì)象，而是新創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象，所以無(wú)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(wèn)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。
消除副作用
很多時(shí)候一些很?chē)?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(jué)，所以很難在編寫(xiě)代碼以及代碼review過(guò)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(lái)。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
class Person {
private int age; // 年齡
private String identityCardID; // 身份證號(hào)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(méi)有察覺(jué)到j(luò)ack的age被修改了
// 為后續(xù)埋下了不容易察覺(jué)的問(wèn)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(duì)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(duì)參數(shù)person指向的對(duì)象進(jìn)行了修改，導(dǎo)致在外部的jack指向的對(duì)象也發(fā)生了變化。
如果Person對(duì)象是不可變的，在validAge函數(shù)中是無(wú)法對(duì)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。
減少容器使用過(guò)程出錯(cuò)的概率
我們?cè)谑褂肏ashSet時(shí)，如果HashSet中元素對(duì)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(hào)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(duì)于String、包裝器這些類(lèi)，我們經(jīng)常會(huì)用他們來(lái)作為HashMap的key，試想一下如果這些類(lèi)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(xiě)的難度。
如何創(chuàng)建不可變對(duì)象
通常來(lái)說(shuō)，創(chuàng)建不可變類(lèi)原則有以下幾條：
所有成員變量必須是private 最好同時(shí)用final修飾(非必須) 不提供能夠修改原有對(duì)象狀態(tài)的方法
?最常見(jiàn)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(duì)象，并在新創(chuàng)建的對(duì)象上進(jìn)行修改
?
通過(guò)構(gòu)造器初始化所有成員變量，引用類(lèi)型的成員變量必須進(jìn)行深拷貝(deep copy) getter方法不能對(duì)外泄露this引用以及成員變量的引用 最好不允許類(lèi)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(lái)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(lái)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(duì)入?yún)ist進(jìn)行了深拷貝?？聪旅孢@段測(cè)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：
不可變對(duì)象真的"完全不可改變"嗎？
不可變對(duì)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(hào)是因?yàn)橥ㄟ^(guò)反射的手段是可以改變不可變對(duì)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(duì)象？這里面大家不要誤會(huì)不可變的本意，從不可變對(duì)象的意義分析能看出來(lái)對(duì)象的不可變性只是用來(lái)輔助幫助大家更簡(jiǎn)單地去編寫(xiě)代碼，減少程序編寫(xiě)過(guò)程中出錯(cuò)的概率，這是不可變對(duì)象的初衷。如果真要靠通過(guò)反射來(lái)改變一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)，此時(shí)編寫(xiě)代碼的人也應(yīng)該會(huì)意識(shí)到此類(lèi)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(xiě)代碼的人的注意。下面是通過(guò)反射方式改變不可變對(duì)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：
