Vincent

不變對(duì)象具有許多能更方便地使用它們的特性，包括不嚴(yán)格的同步需求和不必考慮數(shù)據(jù)訛誤就能自由地共享和高速緩存對(duì)象引用。盡管不變性可能未必對(duì)于所有類都有意義，但大多數(shù)程序中至少有一些類將受益于不可變。在本月的 Java 理論與實(shí)踐中，Brian Goetz 說明了不變性的一些長(zhǎng)處和構(gòu)造不變類的一些準(zhǔn)則。請(qǐng)?jiān)诟綆У?論壇中與作者和其他讀者分享您關(guān)于本文的心得。（也可以單擊文章頂部或底部的“討論”來訪問論壇。）

不變對(duì)象是指在實(shí)例化后其外部可見狀態(tài)無法更改的對(duì)象。Java 類庫(kù)中的 String 、 Integer 和 BigDecimal 類就是不變對(duì)象的示例 ― 它們表示在對(duì)象的生命期內(nèi)無法更改的單個(gè)值。

不變性的長(zhǎng)處

如果正確使用不變類，它們會(huì)極大地簡(jiǎn)化編程。因?yàn)樗鼈冎荒芴幱谝环N狀態(tài)，所以只要正確構(gòu)造了它們，就決不會(huì)陷入不一致的狀態(tài)。您不必復(fù)制或克隆不變對(duì)象，就能自由地共享和高速緩存對(duì)它們的引用；您可以高速緩存它們的字段或其方法的結(jié)果，而不用擔(dān)心值會(huì)不會(huì)變成失效的或與對(duì)象的其它狀態(tài)不一致。不變類通常產(chǎn)生最好的映射鍵。而且，它們本來就是線程安全的，所以不必在線程間同步對(duì)它們的訪問。

自由高速緩存

因?yàn)椴蛔儗?duì)象的值沒有更改的危險(xiǎn)，所以可以自由地高速緩存對(duì)它們的引用，而且可以肯定以后的引用仍將引用同一個(gè)值。同樣地，因?yàn)樗鼈兊奶匦詿o法更改，所以您可以高速緩存它們的字段和其方法的結(jié)果。

如果對(duì)象是可變的，就必須在存儲(chǔ)對(duì)其的引用時(shí)引起注意。請(qǐng)考慮清單 1 中的代碼，其中排列了兩個(gè)由調(diào)度程序執(zhí)行的任務(wù)。目的是：現(xiàn)在啟動(dòng)第一個(gè)任務(wù)，而在某一天啟動(dòng)第二個(gè)任務(wù)。

												
														 Date d = new Date();
  Scheduler.scheduleTask(task1, d);
  d.setTime(d.getTime() + ONE_DAY);
  scheduler.scheduleTask(task2, d);

												
										

因?yàn)?Date 是可變的，所以 scheduleTask 方法必須小心地用防范措施將日期參數(shù)復(fù)制（可能通過 clone() ）到它的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。不然， task1 和 task2 可能都在明天執(zhí)行，這可不是所期望的。更糟的是，任務(wù)調(diào)度程序所用的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會(huì)變成訛誤。在編寫象 scheduleTask() 這樣的方法時(shí)，極其容易忘記用防范措施復(fù)制日期參數(shù)。如果忘記這樣做，您就制造了一個(gè)難以捕捉的錯(cuò)誤，這個(gè)錯(cuò)誤不會(huì)馬上顯現(xiàn)出來，而且當(dāng)它暴露時(shí)人們要花較長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)捕捉到。不變的 Date 類不可能發(fā)生這類錯(cuò)誤。

固有的線程安全

大多數(shù)的線程安全問題發(fā)生在當(dāng)多個(gè)線程正在試圖并發(fā)地修改一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)（寫-寫沖突）時(shí)，或當(dāng)一個(gè)線程正試圖訪問一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)，而另一個(gè)線程正在修改它（讀-寫沖突）時(shí)。要防止這樣的沖突，必須同步對(duì)共享對(duì)象的訪問，以便在對(duì)象處于不一致狀態(tài)時(shí)其它線程不能訪問它們。正確地做到這一點(diǎn)會(huì)很難，需要大量文檔來確保正確地?cái)U(kuò)展程序，還可能對(duì)性能產(chǎn)生不利后果。只要正確構(gòu)造了不變對(duì)象（這意味著不讓對(duì)象引用從構(gòu)造函數(shù)中轉(zhuǎn)義），就使它們免除了同步訪問的要求，因?yàn)闊o法更改它們的狀態(tài)，從而就不可能存在寫-寫沖突或讀-寫沖突。

不用同步就能自由地在線程間共享對(duì)不變對(duì)象的引用，可以極大地簡(jiǎn)化編寫并發(fā)程序的過程，并減少程序可能存在的潛在并發(fā)錯(cuò)誤的數(shù)量。

在惡意運(yùn)行的代碼面前是安全的

把對(duì)象當(dāng)作參數(shù)的方法不應(yīng)變更那些對(duì)象的狀態(tài)，除非文檔明確說明可以這樣做，或者實(shí)際上這些方法具有該對(duì)象的所有權(quán)。當(dāng)我們將一個(gè)對(duì)象傳遞給普通方法時(shí)，通常不希望對(duì)象返回時(shí)已被更改。但是，使用可變對(duì)象時(shí)，完全會(huì)是這樣的。如果將 java.awt.Point 傳遞給諸如 Component.setLocation() 的方法，根本不會(huì)阻止 setLocation 修改我們傳入的 Point 的位置，也不會(huì)阻止 setLocation 存儲(chǔ)對(duì)該點(diǎn)的引用并稍后在另一個(gè)方法中更改它。（當(dāng)然， Component 不這樣做，因?yàn)樗霍斆В遣⒉皇撬蓄惗寄敲纯蜌狻＃┈F(xiàn)在， Point 的狀態(tài)已在我們不知道的情況下更改了，其結(jié)果具有潛在危險(xiǎn) ― 當(dāng)點(diǎn)實(shí)際上在另一個(gè)位置時(shí)，我們?nèi)哉J(rèn)為它在原來的位置。然而，如果 Point 是不變的，那么這種惡意的代碼就不能以如此令人混亂而危險(xiǎn)的方法修改我們的程序狀態(tài)了。

良好的鍵

不變對(duì)象產(chǎn)生最好的 HashMap 或 HashSet 鍵。有些可變對(duì)象根據(jù)其狀態(tài)會(huì)更改它們的 hashCode() 值（如清單 2 中的 StringHolder 示例類）。如果使用這種可變對(duì)象作為 HashSet 鍵，然后對(duì)象更改了其狀態(tài)，那么就會(huì)對(duì) HashSet 實(shí)現(xiàn)引起混亂 ― 如果枚舉集合，該對(duì)象仍將出現(xiàn)，但如果用 contains() 查詢集合，它就可能不出現(xiàn)。無需多說，這會(huì)引起某些混亂的行為。說明這一情況的清單 2 中的代碼將打印“false”、“1”和“moo”。

												
														   public class StringHolder {
        private String string;
        public StringHolder(String s) {
            this.string = s;
        }
        public String getString() {
            return string;
        }
        public void setString(String string) {
            this.string = string;
        }
        public boolean equals(Object o) {
            if (this == o)
                return true;
            else if (o == null || !(o instanceof StringHolder))
                return false;
            else {
                final StringHolder other = (StringHolder) o;
                if (string == null)
                    return (other.string == null);
                else
                    return string.equals(other.string);
            }
        }
        public int hashCode() {
            return (string != null ? string.hashCode() : 0);
        }
        public String toString() {
            return string;
        }
        ...
        StringHolder sh = new StringHolder("blert");
        HashSet h = new HashSet();
        h.add(sh);
        sh.setString("moo");
        System.out.println(h.contains(sh));
        System.out.println(h.size());
        System.out.println(h.iterator().next());
    }

												
										

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何時(shí)使用不變類

不變類最適合表示抽象數(shù)據(jù)類型（如數(shù)字、枚舉類型或顏色）的值。Java 類庫(kù)中的基本數(shù)字類（如 Integer 、 Long 和 Float ）都是不變的，其它標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字類型（如 BigInteger 和 BigDecimal ）也是不變的。表示復(fù)數(shù)或精度任意的有理數(shù)的類將比較適合于不變性。甚至包含許多離散值的抽象類型（如向量或矩陣）也很適合實(shí)現(xiàn)為不變類，這取決于您的應(yīng)用程序。

Flyweight 模式 不變性啟用了 Flyweight 模式，該模式利用共享使得用對(duì)象有效地表示大量細(xì)顆粒度的對(duì)象變得容易。例如，您可能希望用一個(gè)對(duì)象來表示字處理文檔中的每個(gè)字符或圖像中的每個(gè)像素，但這一策略的幼稚實(shí)現(xiàn)將會(huì)對(duì)內(nèi)存使用和內(nèi)存管理開銷產(chǎn)生高得驚人的花費(fèi)。Flyweight 模式采用工廠方法來分配對(duì)不變的細(xì)顆粒度對(duì)象的引用，并通過僅使一個(gè)對(duì)象實(shí)例與字母“a”對(duì)應(yīng)來利用共享縮減對(duì)象數(shù)。有關(guān) Flyweight 模式的更多信息，請(qǐng)參閱經(jīng)典書籍 Design Patterns（Gamma 等著；請(qǐng)參閱 參考資料）。

Java 類庫(kù)中不變性的另一個(gè)不錯(cuò)的示例是 java.awt.Color 。在某些顏色表示法（如 RGB、HSB 或 CMYK）中，顏色通常表示為一組有序的數(shù)字值，但把一種顏色當(dāng)作顏色空間中的一個(gè)特異值，而不是一組有序的獨(dú)立可尋址的值更有意義，因此將 Color 作為不變類實(shí)現(xiàn)是有道理的。

如果要表示的對(duì)象是多個(gè)基本值的容器（如：點(diǎn)、向量、矩陣或 RGB 顏色），是用可變對(duì)象還是用不變對(duì)象表示？答案是……要看情況而定。要如何使用它們？它們主要用來表示多維值（如像素的顏色），還是僅僅用作其它對(duì)象的一組相關(guān)特性集合（如窗口的高度和寬度）的容器？這些特性多久更改一次？如果更改它們，那么各個(gè)組件值在應(yīng)用程序中是否有其自己的含義呢？

事件是另一個(gè)適合用不變類實(shí)現(xiàn)的好示例。事件的生命期較短，而且常常會(huì)在創(chuàng)建它們的線程以外的線程中消耗，所以使它們成為不變的是利大于弊。大多數(shù) AWT 事件類都沒有作為嚴(yán)格的不變類來實(shí)現(xiàn)，而是可以有小小的修改。同樣地，在使用一定形式的消息傳遞以在組件間通信的系統(tǒng)中，使消息對(duì)象成為不變的或許是明智的。

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編寫不變類的準(zhǔn)則

編寫不變類很容易。如果以下幾點(diǎn)都為真，那么類就是不變的：

• 它的所有字段都是 final
• 該類聲明為 final
• 不允許 this 引用在構(gòu)造期間轉(zhuǎn)義
• 任何包含對(duì)可變對(duì)象（如數(shù)組、集合或類似 Date 的可變類）引用的字段：
  • 是私有的
  • 從不被返回，也不以其它方式公開給調(diào)用程序
  • 是對(duì)它們所引用對(duì)象的唯一引用
  • 構(gòu)造后不會(huì)更改被引用對(duì)象的狀態(tài)

最后一組要求似乎挺復(fù)雜的，但其基本上意味著如果要存儲(chǔ)對(duì)數(shù)組或其它可變對(duì)象的引用，就必須確保您的類對(duì)該可變對(duì)象擁有獨(dú)占訪問權(quán)（因?yàn)椴蝗坏脑挘渌惸軌蚋钠錉顟B(tài)），而且在構(gòu)造后您不修改其狀態(tài)。為允許不變對(duì)象存儲(chǔ)對(duì)數(shù)組的引用，這種復(fù)雜性是必要的，因?yàn)?Java 語(yǔ)言沒有辦法強(qiáng)制不對(duì) final 數(shù)組的元素進(jìn)行修改。注：如果從傳遞給構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)中初始化數(shù)組引用或其它可變字段，您必須用防范措施將調(diào)用程序提供的參數(shù)或您無法確保具有獨(dú)占訪問權(quán)的其它信息復(fù)制到數(shù)組。否則，調(diào)用程序會(huì)在調(diào)用構(gòu)造函數(shù)之后，修改數(shù)組的狀態(tài)。清單 3 顯示了編寫一個(gè)存儲(chǔ)調(diào)用程序提供的數(shù)組的不變對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)的正確方法（和錯(cuò)誤方法）。

												
														class ImmutableArrayHolder {
  private final int[] theArray;
  // Right way to write a constructor -- copy the array
  public ImmutableArrayHolder(int[] anArray) {
    this.theArray = (int[]) anArray.clone();
  }
  // Wrong way to write a constructor -- copy the reference
  // The caller could change the array after the call to the constructor
  public ImmutableArrayHolder(int[] anArray) {
    this.theArray = anArray;
  }
  // Right way to write an accessor -- don't expose the array reference
  public int getArrayLength() { return theArray.length }
  public int getArray(int n)  { return theArray[n]; }
  // Right way to write an accessor -- use clone()
  public int[] getArray()       { return (int[]) theArray.clone(); }
  // Wrong way to write an accessor -- expose the array reference
  // A caller could get the array reference and then change the contents
  public int[] getArray()       { return theArray }
}

												
										

通過一些其它工作，可以編寫使用一些非 final 字段的不變類（例如， String 的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)使用 hashCode 值的惰性計(jì)算），這樣可能比嚴(yán)格的 final 類執(zhí)行得更好。如果類表示抽象類型（如數(shù)字類型或顏色）的值，那么您還會(huì)想實(shí)現(xiàn) hashCode() 和 equals() 方法，這樣對(duì)象將作為 HashMap 或 HashSet 中的一個(gè)鍵工作良好。要保持線程安全，不允許 this 引用從構(gòu)造函數(shù)中轉(zhuǎn)義是很重要的。

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偶爾更改的數(shù)據(jù)

有些數(shù)據(jù)項(xiàng)在程序生命期中一直保持常量，而有些會(huì)頻繁更改。常量數(shù)據(jù)顯然符合不變性，而狀態(tài)復(fù)雜且頻繁更改的對(duì)象通常不適合用不變類來實(shí)現(xiàn)。那么有時(shí)會(huì)更改，但更改又不太頻繁的數(shù)據(jù)呢？有什么方法能讓 有時(shí)更改的數(shù)據(jù)獲得不變性的便利和線程安全的長(zhǎng)處呢？

util.concurrent 包中的 CopyOnWriteArrayList 類是如何既利用不變性的能力，又仍允許偶爾修改的一個(gè)良好示例。它最適合于支持事件監(jiān)聽程序的類（如用戶界面組件）使用。雖然事件監(jiān)聽程序的列表可以更改，但通常它更改的頻繁性要比事件的生成少得多。

除了在修改列表時(shí)， CopyOnWriteArrayList 并不變更基本數(shù)組，而是創(chuàng)建新數(shù)組且廢棄舊數(shù)組之外，它的行為與 ArrayList 類非常相似。這意味著當(dāng)調(diào)用程序獲得迭代器（迭代器在內(nèi)部保存對(duì)基本數(shù)組的引用）時(shí)，迭代器引用的數(shù)組實(shí)際上是不變的，從而可以無需同步或冒并發(fā)修改的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行遍歷。這消除了在遍歷前克隆列表或在遍歷期間對(duì)列表進(jìn)行同步的需要，這兩個(gè)操作都很麻煩、易于出錯(cuò)，而且完全使性能惡化。如果遍歷比插入或除去更加頻繁（這在某些情況下是常有的事）， CopyOnWriteArrayList 會(huì)提供更佳的性能和更方便的訪問。

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結(jié)束語(yǔ)

使用不變對(duì)象比使用可變對(duì)象要容易得多。它們只能處于一種狀態(tài)，所以始終是一致的，它們本來就是線程安全的，可以被自由地共享。使用不變對(duì)象可以徹底消除許多容易發(fā)生但難以檢測(cè)的編程錯(cuò)誤，如無法在線程間同步訪問或在存儲(chǔ)對(duì)數(shù)組或?qū)ο蟮囊们盁o法克隆該數(shù)組或?qū)ο蟆Ｔ诰帉戭悤r(shí)，問問自己這個(gè)類是否可以作為不變類有效地實(shí)現(xiàn)，總是值得的。您可能會(huì)對(duì)回答常常是肯定的而感到吃驚。