不可更改的对象

如果一个对象的状态在它构建之后就不能被更改,我们就认为它是不可更改的对象。对不可更改对象的最大限度的依赖被广泛认为是一种建立简单、可信赖代码的好策略。

不可更改对象在并发的代码中显得格外有用。因为既然你不能更改它的状态,那线程混淆和内存不一致都不可能出现了。

开发人员总是不太乐意使用不可更改对象,因为他们担心创建一个新对象的代价会超过更新一个现有对象。对象新建的代价总是被过高估计,并且这个代价还可以被不可变对象的一些便利性所折中。包括减少垃圾收集的额外开销,和本来需要的用来保护可变更对象的代码。

接下来的一小节使用了一个类——它的实例是可更改的,然后从中衍生出一个有不可变实例的类。这样给出了转换的规则,也说明了不可变对象的几个优势。

一个同步类案例

SynchronizedRGB类,定义了颜色的对象。每个对象将颜色表示成为3个整数值,来表示三原色,以及一个字符串,表示该颜色的名字。

public class SynchronizedRGB {

    // Values must be between 0 and 255.
    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 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;
    }

    public synchronized void invert() {
        red = 255 - red;
        green = 255 - green;
        blue = 255 - blue;
        name = "Inverse of " + name;
    }
}

SynchronizedRGB必须非常小心地使用,为了防止不连续的状态被记录下来。假设,一个线程执行了以下的代码:

SynchronizedRGB color =
    new SynchronizedRGB(0, 0, 0, "Pitch Black");
...
int myColorInt = color.getRGB();      //Statement 1
String myColorName = color.getName(); //Statement 2

如果另一个线程在语句1之后,语句2之前,调用了color.set方法,mycolorInt的值就不会和mycolorName的值相匹配。为了避免出现这样的结果,这两句语句必须要被绑定在一起:

synchronized (color) {
    int myColorInt = color.getRGB();
    String myColorName = color.getName();
} 

这种不一致性只会出现在可变更的对象之上——它对不可变更的SynchronizedRGB来说,不是一个问题。

下面的几条规则定义了一个创建不可变对象的简单策略。不是所有被声明为不可变的类都遵循以下的规则。这不一定说明那些类的发明人水平不行——他们可能有足够的理由相信他们类的实例在构造之后不会改变。然而,这样那样的策略需要复杂的分析,对初学者太不友好。

  1. 不要提供setter方法——会更改域或对象的方法。
  2. 把所有的域声明为私有和final。
  3. 不要允许子类重写方法。实现这个最简单的方式就是把该类声明为final。一个更为复杂的方法,是把构造函数声明为私有,然后在工厂方法中构建实例。
  4. 如果实例域包含对可变更对象的引用,不要允许这些对象发生改变。
    4.1 不要提供能改变能变更对象的方法。
    4.2 不要和可变更对象共享引用。永远不要把外部可变的引用传递给构造器。 如果有必要,建立复制版本,然后把引用存储在复制版本中。同样的,创建你内部可变更对象的复制版本,来避免把原始的值直接返回给你的方法。

对SynchronizedRGB进行上面的策略,需要进行以下几个步骤:

  1. 在该类中有两个setter方法。第一个,set随意地改变对象,在不可变类中没有它的容身之地。第二个,invert,可以被改造成必须要新建一个新的对象,而不是在当前对象上进行修改。
  2. 所有的域已经都是私有了,它们需要进一步被声明为final。
  3. 类本身要被声明为final。
  4. 只有一个域引用了一个对象,而那个对象本身是不可变的。因此,来保证内部的可修改对象的安全卫士也不需要了。

经过这些修改之后,我们有了ImmutableRGB:

final public class ImmutableRGB {

    // Values must be between 0 and 255.
    final private int red;
    final private int green;
    final private int blue;
    final 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 int getRGB() {
        return ((red << 16) | (green << 8) | blue);
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public ImmutableRGB invert() {
        return new ImmutableRGB(255 - red,
                       255 - green,
                       255 - blue,
                       "Inverse of " + name);
    }
}

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