Java中的Mutable 和 Immutable

写在前面

最近在软件构造课上学习了Java中的两种数据类型：mutable（可变的）和immutable（不可变的）。有时候感觉有些绕，在这里记录一下我对这两种类型的理解。

概念

immutable（不可变的）：一旦创建，就不能更改它的值/引用。
mutable（可变的）：创建之后，该对象拥有可以更改其值/引用的方法，可以利用这些方法改变。
需要注意的一点是：
改变一个变量的引用：将该变量指向另一个值的存储空间
改变一个变量内的值：将该变量当前指向的值的存储空间中写入一个新的值。

范例：

String

String类型是immutable的，一旦创建，不能更改它指向的值，只能改变它的引用

String s = "a";
s = s.concat("b"); // s+="b" and s=s+"b" also mean the same thing

这段代码的内存，用内存图的方式可以画成这样：

也就是说，如果初始化了一个String类型的对象，再去给它加上一段字符，则会更改它指向的地址，而不是更改地址里的值。

StringBuilder

StringBuilder类型是mutable的，创建成功后，可以利用一些方法来改变它指向地址的值。

StringBuilder sb = new StringBuilder("a");
sb.append("b");

这段代码的内存图表示为：

可以发现，sb指向的内存地址没变，只是地址内的内容改变了。

虽然看起来，两种方式并没有什么区别，但是，参考如下代码：

String t = s;
t = t + "c";

StringBuilder tb = sb;
tb.append("c");

可以发现，当有变量t指向s，tb指向sb时，问题就呈现出来了，当改变t的值时，s的值并没有改变；但当改变tb的值时，sb的值跟着改变，这就会造成一些可怕的后果。

可变类型的必要性

大家可能会想，既然可变类型会产生一些意外的后果，而且我们已经有了String类型，那么要StringBuilder类型做什么呢？参考下面代码：

String s = "";
for (int i = 0; i < n; ++i) {
    s = s + i;
}

如果s被设为String类型，那么，每次在s后面接字符串的时候，都会将之前s中的内容复制一份再加上n，然后放到另一块内存区域，由于要更改s的指向，所以每次都需要复制之前的字符串，“0”被复制了n次，这样本来增加了n个字符，结果却需要O（n^2）；
然而使用StringBuilder就可以直接在原字符串后增加，效率提高了很多，当需要转成字符串时，只需利用toString()方法。

StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < n; ++i) {
  sb.append(String.valueOf(i));
}
String s = sb.toString();

可变类型的危险

参数发生变化

首先写一个sum函数，计算参数列表中元素之和：

/** @return the sum of the numbers in the list */
public static int sum(List list) {
    int sum = 0;
    for (int x : list)
        sum += x;
    return sum;
}

然后再写一个计算列表元素绝对值之和：

/** @return the sum of the absolute values of the numbers in the list */
public static int sumAbsolute(List list) {
    // let's reuse sum(), because DRY, so first we take absolute values
    for (int i = 0; i < list.size(); ++i)
        list.set(i, Math.abs(list.get(i)));
    return sum(list);
}

然后查看下面函数的输出：

public static void main(String[] args) {
    // ...
    List myData = Arrays.asList(-5, -3, -2);
    System.out.println(sumAbsolute(myData));
    System.out.println(sum(myData));
}

会发现，输出的都是10，而不是我们预期的10的-10，可见，可变数据类型发生了参数的更改，这在我们写程序的时候会发生致命的问题。

返回值发生变化

另外，如果使用mutable，不仅函数的参数会发生改变，函数返回值也会发生变化，这个时候，为了不让客户端程序员更改，我们可以使用防御性复制的方法，即返回复制的副本。

总结

这就是mutable和immutable的大概介绍，所有代码均参考MIT的课件，如果发现有任何问题，可以在评论区指出，方便我改正，谢谢。