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Java 中如何实现一个像 String 一样不可变的类？
skyyoung
发布于 2023-1-16 16:57
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如果问你在日常开发中用到的最多的一个 Java 类是什么，阿粉敢打赌绝对是 String.class。说到 String 大家都知道 String 是一个不可变的类；虽然用的很多，那不知道小伙伴们有没有想过怎么样创建一个自己的不可变的类呢？这篇文章阿粉就带大家来实践一下，创建一个自己的不可变的类。
特性
在手动编写代码之前，我们先了解一下不可变类都有哪些特性，
- 定义类的时候需要使用
final 关键字进行修饰：之所以使用final 进行修饰是因为这样可以避免被其他类继承，一旦有了子类继承就会破坏父类的不可变性机制； - 成员变量需要使用
final 关键词修饰，并且需要是private 的：避免属性被外部修改； - 成员变量不可提供
setter 方法，只能提供getter 方法：避免被外部修改，并且避免返回成员变量本身； - 提供所有字段的构造函数；
实操
知道了不可变类的一些基本特性之后，我们来实际写代码操作一下，以及我们会验证一下，如果不按照上面的要求来编写的话，会出现什么样的问题。
这里我们定义一个 Teacher 类来测试一下，按照我们上面提到的几点，我们给类和属性的定义都加上 final 代码如下所示。
package com.example.demo.immutable;
import java.util.List;
import java.util.Map;
public final class Teacher {
private final String name;
private final List<String> students;
private final Address address;
private final Map<String, String> metadata;
public Teacher(String name, List<String> students, Address address, Map<String, String> metadata){
this.name = name;
this.students = students;
this.address = address;
this.metadata = metadata;
}
public String getName(){
return name;
}
public List<String> getStudents(){
return students;
}
public Address getAddress(){
return address;
}
public Map<String, String> getMetadata(){
return metadata;
}
}
package com.example.demo.immutable;
public class Address {
private String country;
private String city;
public String getCountry(){
return country;
}
public void setCountry(String country){
this.country = country;
}
public String getCity(){
return city;
}
public void setCity(String city){
this.city = city;
}
}我们思考一下，上面的代码是否真正的做到了不可变，好，我们思考三秒钟，心里默默的数三下。为了回答这个问题，我们看下下面的测试代码。
package com.example.demo;
import com.example.demo.immutable.Address;
import com.example.demo.immutable.Teacher;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
/**
* <br>
* <b>Function：</b><br>
* <b>Author：</b>@author Silence<br>
* <b>Date：</b>2022-11-22 21:17<br>
* <b>Desc：</b>无<br>
*/
public class ImmutableDemo {
public static void main(String[] args){
List<String> students = new ArrayList<>();
students.add("鸭血粉丝 1");
students.add("鸭血粉丝 2");
students.add("鸭血粉丝 3");
Address address = new Address();
address.setCountry("中国");
address.setCity("深圳");
Map<String, String> metadata = new HashMap<>();
metadata.put("hobby", "篮球");
metadata.put("age", "29");
Teacher teacher = new Teacher("Java极客技术", students, address, metadata);
System.out.println(teacher.getStudents().size());
System.out.println(teacher.getMetadata().size());
System.out.println(teacher.getAddress().getCity());
// 修改属性
teacher.getStudents().add("小明");
teacher.getMetadata().put("weight", "120");
teacher.getAddress().setCity("广州");
System.out.println(teacher.getStudents().size());
System.out.println(teacher.getMetadata().size());
System.out.println(teacher.getAddress().getCity());
}
}运行的结果如下截图所示，通过测试我们可以发现，简单的只添加 final 关键字是不能解决不可变性的，我们当前的 teacher 实例已经被外层修改掉了成员变量。
为了解决这个问题，我们还需要对我们的 Teacher 类进行改造，首先我们可以想到的就是需要将 students 和 metadata 两个成员变量不能直接返回给外层，否则外层的修改会直接影响到我们的不可变类，那么我们就可以修改 getter 方法，拷贝一下成员变量进行返回，而不是直接返回，修改代码如下
public List<String> getStudents(){
return new ArrayList<>(students);
//return students;
}
public Map<String, String> getMetadata(){
return new HashMap<>(metadata);
//return metadata;
}我们再次运行上面的测试代码，可以看到这次的返回数据如下，这次我们的 students 和 metadate 成员变量并没有被外层修改掉了。但是我们的 address 成员变量还是有问题，没关系，我们接着往下看。
很自然的为了解决 address 的问题，我们想到了也是进行一个拷贝，再调用 getter 方法的时候返回一个拷贝对象，而不是直接返回成员变量。那我们就需要改造 Address 类，将其变成 Cloneable 的即可，我们实现 接口，然后覆盖一个 clone 方法，代码如下
package com.example.demo.immutable;
public class Address implements Cloneable{
...// 省略
@Override
public Address clone(){
try {
return (Address) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new AssertionError();
}
}
}再修改 Teacher 的 getAddress 方法
public Address getAddress(){
//return address;
return address.clone();
}接下来我们再运行一下测试代码，结果如下，可以看到这次我们的 teacher 实例的成员变量并没有被修改掉了，至此我们完成了一个不可变对象的创建！
String 的实现
前面我们看的是自定义实现不可变类的操作，接下来我们简单看一下 String 类是如何实现不可变的，通过源码我们可以看到 String 也使用了关键字 final 来避免被子类继承，以及对应存放具体值的成员变量也使用了 final 关键字。
并且对外提供的方法 substring 也是通过复制的形式对外提供的新的 String 对象。
注意阿粉这里的 JDK 版本是 19 所以可能大家版本不一致具体的实现不太一样，但是本质上都是一样的。
文章转载自公众号：Java极客技术
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已于2023-1-16 16:57:32修改
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