不可变类介绍
不可变类： 所谓的不可变类是指这个类的实例一旦创建完成后，就不能修改其成员变量值。如JDK 内部自带的很多不可变类：Integer、Long 和 String 等。
可变类：相对与不可变类，可变类创建实例后可以修改器成员变量的值，开发中创建的大部分类都属于可变类。
不可变类的优点
- 线程安全
不可变对象是线程安全的，在线程之间可以相互共享，不需要利用特殊机制来保证同步问题，因为对象的值无法改变。可以降低并发错误的可能性，因为不需要用一些锁机制等保证内存一致性问题也减少了同步开销。 - 易于构造、使用和测试
不可变类的设计方法
对于设计不可变类，个人总结出以下原则：
- 类添加 final 修饰符，保证类不被继承
如果类可以被继承会破坏类的不可变性机制，只要继承类覆盖父类的方法并且继承类可以改变成员变量值，那么一旦子类以父类的形式出现时，不能保证当前类是否可变。 - 保证所有成员变量必须私有，并且加上 final 修饰
通过这种方式保证成员变量不可改变。但只做到这一步还不够，因为如果是对象成员变量有可能在外部改变其值。所有第 4 点弥补这个不足。 - 不提供修改成员变量的方法，包括 setter
避免通过其他接口改变成员变量的值，破坏不可变特性。 - 通过构造器初始化所有成员，进行深拷贝（deep copy）
如果构造器传入的对象直接赋值给成员变量，还是可以通过对传入对象的修改进而改变内部变量的值。例如：
public final class ImmutableDemo {
private final int[] myArray;
public ImmutableDemo(int[] array) {
this.myArray = array; // wrong
}
}
这种方式不能保证不可变性，myArray 和 array 指向同一块内存地址，用户可以在 ImmutableDmo 之外通过修改 array 对象的值来改变 myArray 内部的值。
为了保证内部的值不被修改，可以采用深度 copy 来创建一个新内存保存传入的值。正确做法：
public final class ImmutableDemo {
private final int[] myArray;
public ImmutableDemo(int[] array) {
this.myArray = array; // wrong
}
}
- 在 getter 方法中，不要直接返回对象本身，而是克隆对象，并返回对象的拷贝
这种做法也是防止对象外泄，防止通过 getter 获得内部可变成员对象后对成员变量直接操作，导致成员变量发生改变。
String 对象的不可变性
String 对象在内存创建后就不可改变，不可变对象的创建一般满足以上 5 个原则，我们看看 String 代码是如何实现的。
public final class String
implements java.io.Serializable, Comparable, CharSequence
{
/** The value is used for character storage. */
private final char value[];
/** The offset is the first index of the storage that is used. */
private final int offset;
/** The count is the number of characters in the String. */
private final int count;
/** Cache the hash code for the string */
private int hash; // Default to 0
....
public String(char value[]) {
this.value = Arrays.copyOf(value, value.length); // deep copy操作
}
...
public char[] toCharArray() {
// Cannot use Arrays.copyOf because of class initialization order issues
char result[] = new char[value.length];
System.arraycopy(value, 0, result, 0, value.length);
return result;
}
...
}
如上代码所示，可以观察到以下设计细节：
- String 类被 final 修饰，不可继承。
- String 内部所有成员都设置为私有变量。
- 不存在 value 的 setter 。
- 并将 value 和 offset 设置为 final 。
- 当传入可变数组 value[] 事，进行 copy 而不是直接将 value[] 复制给内部变量。
- 获取 value 时不是直接返回对象引用，而是返回对象的 copy 。
这都符合上面总结的不变类型的特性，也保证了 String 类型是不可变的类。
String 对象的不可变的优缺点
从上面分析，String 数据不可改变，那么设置这样的特性有什么好处？
我们总结以下几点：
- 字符串常量池的需要
字符串常量池可以将一些字符常量放在常量池中重复使用，避免每次都重新创建爱你相同的对象、节省存储空间。但如果字符串是可变的，此时相同内容的 String 还指向常量池的同一个内存空间，当某个变量改变了该内存的值时，其他变量的值也会发生改变。所以不符合常量池设计的初衷。 - 线程安全考虑
同一个字符串实例可以被多个线程共享。这样便不用因为线程安全问题而使用同步。字符串自己便是线程安全的。 - 类加载器要用到字符串，不可变性提供了安全性，以便正确的类被加载
如果你想加载"java.sql.Connection"类，而这个值被改成了"myhacked.Connection",那么会对你的数据库造成不可知的破坏。 - 支持 hash 映射和缓存
因为字符串是不可变的，所以在创建的时候 hashcode 就被缓存了，不需要重新计算。这就使得字符串很适合作为 Map 中的键，字符串的处理速度要快过其他的键对象。这就是 HashMap 中的键往往都使用字符串。
缺点：
- 如果有对 String 对象值改变的需求，那么会创建大量的 String 对象。
String 对象是否真的不可变
虽然 String 对象将 value 设置为 final，并且还通过各种机制保证其成员变量不可变。但是还是可以通过反射机制的手段改变其值。
例如：
//创建字符串"Hello World"， 并赋给引用s
String s = "Hello World";
System.out.println("s = " + s); //Hello World
//获取String类中的value字段
Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");
//改变value属性的访问权限
valueFieldOfString.setAccessible(true);
//获取s对象上的value属性的值
char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);
//改变value所引用的数组中的第5个字符
value[5] = '_';
System.out.println("s = " + s); //Hello_World
打印结果为：
s = Hello World
s = Hello_World
发现 String 的值已经发生了改变。也就是说，通过反射是可以修改所谓的"不可变"对象的。
总结
不可变类是实例创建后就不可以改变成员变量的值。这种特性使得不可变类提供了线程安全的特性，但同时也带了对象创建的开销，每更改一个属性都是重新创建一个新的对象。JDK 内部也是提供了很多不可变类如 Integer、Double、String等。String 的不可变特性主要为了满足常量池、线程安全、类加载的需求。合理使用不可变类可以带来极大的好处。
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