为什么 String 是 immutable 类

2020/03/20

二哥,你能给我说说为什么 String 是 immutable 类(不可变对象)吗?我想研究它,想知道为什么它就不可变了,这种强烈的愿望就像想研究浩瀚的星空一样。但无奈自身功力有限,始终觉得雾里看花终隔一层。二哥你的文章总是充满趣味性,我想一定能够说明白,我也一定能够看明白,能在接下来写一写吗?

收到读者小 R 的私信后,我就总感觉自己有一种义不容辞的责任,非要把 immutable 类说明白,否则我就怎么地——你说了算!

01、什么是不可变类

一个类的对象在通过构造方法创建后如果状态不会再被改变,那么它就是一个不可变(immutable)类。它的所有成员变量的赋值仅在构造方法中完成,不会提供任何 setter 方法供外部类去修改。

还记得《神雕侠侣》中小龙女的古墓吗?随着那一声巨响,仅有的通道就被无情地关闭了。别较真那个密道,我这么说只是为了打开你的想象力,让你对不可变类有一个更直观的印象。

自从有了多线程,生产力就被无限地放大了,所有的程序员都爱它,因为强大的硬件能力被充分地利用了。但与此同时,所有的程序员都对它心生忌惮,因为一不小心,多线程就会把对象的状态变得混乱不堪。

为了保护状态的原子性、可见性、有序性,我们程序员可以说是竭尽所能。其中,synchronized(同步)关键字是最简单最入门的一种解决方案。

假如说类是不可变的,那么对象的状态就也是不可变的。这样的话,每次修改对象的状态,就会产生一个新的对象供不同的线程使用,我们程序员就不必再担心并发问题了。

02、常见的不可变类

提到不可变类,几乎所有的程序员第一个想到的,就是 String 类。那为什么 String 类要被设计成不可变的呢?

1)常量池的需要

字符串常量池是 Java 堆内存中一个特殊的存储区域,当创建一个 String 对象时,假如此字符串在常量池中不存在,那么就创建一个;假如已经存,就不会再创建了,而是直接引用已经存在的对象。这样做能够减少 JVM 的内存开销,提高效率。

2)hashCode 的需要

因为字符串是不可变的,所以在它创建的时候,其 hashCode 就被缓存了,因此非常适合作为哈希值(比如说作为 HashMap 的键),多次调用只返回同一个值,来提高效率。

3)线程安全

就像之前说的那样,如果对象的状态是可变的,那么在多线程环境下,就很容易造成不可预期的结果。而 String 是不可变的,就可以在多个线程之间共享,不需要同步处理。

因此,当我们调用 String 类的任何方法(比如说 trim()substring()toLowerCase())时,总会返回一个新的对象,而不影响之前的值。

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

虽然调用 substring() 方法对 cmower 进行了截取,但 cmower 的值没有改变。

除了 String 类,包装器类 Integer、Long 等也是不可变类。

03、自定义不可变类

看懂一个不可变类也许容易,但要创建一个自定义的不可变类恐怕就有点难了。但知难而进是我们作为一名优秀的程序员不可或缺的品质,正因为不容易,我们才能真正地掌握它。

接下来,就请和我一起,来自定义一个不可变类吧。一个不可变诶,必须要满足以下 4 个条件:

1)确保类是 final 的,不允许被其他类继承。

2)确保所有的成员变量(字段)是 final 的,这样的话,它们就只能在构造方法中初始化值,并且不会在随后被修改。

3)不要提供任何 setter 方法。

4)如果要修改类的状态,必须返回一个新的对象。

按照以上条件,我们来自定义一个简单的不可变类 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 类是 final 的,name 和 age 也是 final 的,没有 setter 方法。

OK,据说这个作者分享了很多博客,广受读者的喜爱,因此某某出版社找他写了一本书(Book)。Book 类是这样定义的:

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 个字段,分别是 name 和 price,以及 getter 和 setter,重写后的 toString() 方法。然后,在 Writer 类中追加一个可变对象字段 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;
    }
}

并在构造方法中追加了 Book 参数,以及 Book 的 getter 方法。

完成以上工作后,我们来新建一个测试类,看看 Writer 类的状态是否真的不可变。

public class WriterDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Book book = new Book();
        book.setName("Web全栈开发进阶之路");
        book.setPrice(79);

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

程序输出的结果如下所示:

定价:Book{name='Web全栈开发进阶之路', price=79}
促销价:Book{name='Web全栈开发进阶之路', price=59}

糟糕,Writer 类的不可变性被破坏了,价格发生了变化。为了解决这个问题,我们需要为不可变类的定义规则追加一条内容:

如果一个不可变类中包含了可变类的对象,那么就需要确保返回的是可变对象的副本。也就是说,Writer 类中的 getBook() 方法应该修改为:

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

这样的话,构造方法初始化后的 Book 对象就不会再被修改了。此时,运行 WriterDemo,就会发现价格不再发生变化了。

定价:Book{name='Web全栈开发进阶之路', price=79}
促销价:Book{name='Web全栈开发进阶之路', price=79}

04、总结

不可变类有很多优点,就像之前提到的 String 类那样,尤其是在多线程环境下,它非常的安全。尽管每次修改都会创建一个新的对象,增加了内存的消耗,但这个缺点相比它带来的优点,显然是微不足道的——无非就是捡了西瓜,丢了芝麻。

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