String类不可变分析以及普通不可变类

一、String为什么不可变？

要了解String类创建的实例为什么不可变，首先要知道final关键字的作用：final的意思是“最终，最后”。

final关键字可以修饰类、方法、字段。 修饰类时，这个类不可以被继承； 修饰方法时，这个方法就不可以被覆盖(重写)，在JVM中也就只有一个版本的方法--实方法； 修饰字段时，这个字段就是一个常量。

查看java.lang.String方法时，可以看到：

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
   ...
}

String本质上是一个被final修饰的char数组。

我们在创建一个String时候 如:String str=new String("ab");实际上是创建了final char value['a','b'],而这里的str仅仅是保存的这个char数组的引用地址,我们在修改时候,比如str="ccc";实际上是将str的引用地址给改变了,但是我们原来的被final修饰的数组并没有改变.

String一些方法诸如replace,substring等等看似改变了字符串的值,时间上只是改变了引用指向的地址,其实他们底层都是通过创建新的String对象来返回的,并不是修改以前的. 可以看下源码.

二、String类不可变有什么好处？

• 最简单的就是为了安全和效率。 从安全上讲，因为不可变的对象不能被改变，他们可以在多个线程之间进行自由共享，这消除了进行同步的要求；
• 从效率上讲，设计成final，JVM才不用对相关方法在虚函数表中查询，而是直接定位到String类的相关方法上，提高执行效率；
• 总之，由于效率和安全问题，String被设计成不可变的，这也是一般情况下，不可变的类是首选的原因。

三String对象真的不可变吗？

从上文可知String的成员变量是private final 的，也就是初始化之后不可改变。那么在这几个成员中， value比较特殊，因为他是一个引用变量，而不是真正的对象。value是final修饰的，也就是说final不能再指向其他数组对象，那么我能改变value指向的数组吗？ 比如将数组中的某个位置上的字符变为下划线“_”。 至少在我们自己写的普通代码中不能够做到，因为我们根本不能够访问到这个value引用，更不能通过这个引用去修改数组。

那么用什么方式可以访问私有成员呢？ 没错，用反射，可以反射出String对象中的value属性， 进而改变通过获得的value引用改变数组的结构。 示例代码:

public static void testReflection() throws Exception {
 
        //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
  s = Hello World
 s = Hello_World

在这个过程中，s始终引用的同一个String对象，但是再反射前后，这个String对象发生了变化， 也就是说，通过反射是可以修改所谓的“不可变”对象的。但是一般我们不这么做。这个反射的实例还可以说明一个问题：如果一个对象，他组合的其他对象的状态是可以改变的，那么这个对象很可能不是不可变对象。例如一个Car对象，它组合了一个Wheel对象，虽然这个Wheel对象声明成了private final 的，但是这个Wheel对象内部的状态可以改变， 那么就不能很好的保证Car对象不可变。

五、不可变类

不可变类只是它的实例不能被修改的类。每个实例中包含的所有信息都必须在创建该实例时就提供，并在对象 的整个生命周期内固定不变。String、基本类型的包装类、BigInteger和BigDecimal就是不可变得类。

为了使类成为不可变，必须遵循以下5条规则： ①不要提供任何会修改对象状态的方法。 ②保证类不会被扩展。 ③使所有的域都是final。 ④使所有的域都成为私有的。 ⑤确保 对于任何可变组件的互斥访问。如果类具有指向可变对象的域，则必须确保该类的客户端无法获得指向这些对象的引用。

六、不可变类的优点和缺点

不可变类实例不可变性，具有很多优点。 ①不可变类对象比较简单。不可变对象可以只有一种状态，即被创建时的状态。 ②不可变对象本质上是线程安全的，它们不要求同步。当多个线程并发访问这样的对象时，它们不会遭到破坏。实际上，没有任何线程会注意到其他线程对于不可变对象的影响。所以，不可变对象可以被自由地分配。“不可变对象可以被自由地分配”导致的结果是：永远不需要进行保护性拷贝。 ③不仅可以共享不可变对象，甚至也可以共享它们的内部信息。 ④不可变对象为其他对象提供了大量的构件。如果知道一个复杂对象内部的组件不会改变，要维护它的不变性约束是比较容易的。

不可变类真正唯一的缺点是，对于每个不同的值都需要一个单独的对象。创建这种对象的代价很高。

七、如何构建不可变类？

构建不可变类有两种方式：

• 用关键字final修饰类
• 让类的所有构造器都变成私有的或者包级私有的，并添加公有的静态工厂来替代公有的构造器。

为了具体说明用静态工厂方法来替代公有的构造器，下面以Complex为例：

//复数类
public class Complex{
    //实数部分
    private final double re;
    //虚数部分
    private final double im;
    //私有构造器
    private Complex(double re,double im){
        this.re = re;
        this.im = im;
    }
    //静态工厂方法，返回对象唯一实例
    public static Complex valueOf(double re,double im){
        return new Complex(re,im);
    }
    ...
}

不可变的类提供一些静态工厂方法，它们把频繁请求的实例缓存起来，从而当现在实例符合请求的时候，就不必创建新的实例。使用这样的静态工厂方法使得客户端之间可以共享现有的实例，而不是创建新的实例，从而减低内存占用和垃圾回收的成本。

总之，使类的可变性最小化。不要为每个get方法编写一个相对应的set方法，除非有很好的理由要让类成为可变的类，否则就应该是不可变的。如果有些类不能被做成是不可变的，仍然应该尽可能地限制它的可变性。不可变的类有很多优点，但唯一的缺点就是在特定的情况下存在潜在的性能问题。

PS：静态工厂方法是什么？ 静态工厂方法只是一个返回类的实例的静态方法，如下面是一个Boolean的简单实例。这个方法将boolean基本类型值转换成一个Boolean对象引用。

public static Boolean valueOf(boolean b){
    return b?Boolean.TRUE?Boolean.FALSE;
}

静态工厂方法相对于构造器来说，具有很多优势：

①创建的方法有名字； ②不必在每次调用它们的时候都创建一个新的对象；

③可以返回原返回类型的任何子类的对象。这样我们在选择返回对象的类时就有更大的灵活性，这种灵活性的一种应用是API可以返回对象，同时又不会使对象的类变成公有的。以这种方式隐藏实现类会使API变得非常简洁，这项技术适用于基于接口的框架。

④在创建参数化类型实例时，它们使代码变得更加简洁。编译器可以替你找到类型参数，这被称为类型推导。如下面这个例子

public static<k,v> HashMap<k,v> newInstance(){
    return new HashMap<k,v>();
}

静态工厂方法也有缺点：

①类如果不含公有的或者受保护的构造器，就不能被子类化。对于公有的静态工厂方法所返回的非公有类也同样如此。

②它们与静态方法实际上没有什么区别。

简而言之，静态工厂方法和公有构造器都各有用处，我们需要理解它们各自的长处。结合实际情况，再做选择。