Java設計模式之immutable（不可變）模式

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immutable簡介

不可變對象永遠不會發生改變，其欄位的值只在建構函式運行時設定一次，其後就不會再改變。例如JDK中常見的兩種基礎資料型別 (Elementary Data Type)String和Integer，它們都是不可變對象。為了理解immutable與mutable的區別，可以看看下面的一段代碼：

package date0804.demo2;import java.awt.Point;public class ImmutableString {public static void main(String[] args) {//String,immutableString str = new String("new book");System.out.println(str);str.replaceAll("new", "old");System.out.println(str);//Point,mutablePoint point = new Point(0,0);System.out.println(point);point.setLocation(1, 0);System.out.println(point);}}

 運行結果為

new booknew bookjava.awt.Point[x=0,y=0]java.awt.Point[x=1,y=0]

我們看到point的值發生了改變，而str的值並沒有改變。String類型的對象一旦在記憶體中建立，它的值就不會發生改變，改變的只能是對該對象引用的指標。若想建立可以改變的String，則可以使用StringBuilder和StringBuffer類建立字串，更加靈活，可以進行添加、插入和追加新的內容等操作。

[拓展，下面一段代碼與immutable無關]再看另外一個有趣的String執行個體：

package date0804.demo2;public class ImmutableString {public static void main(String[] args){String str=new String("xyz");change(str);System.out.println(str);}public static void change(String s) {s="xml";}}

上面這段代碼的輸出結果為：

xyz

根據我的理解，Java中方法的參數是按值傳遞的，在這裡，Java在記憶體堆上建立了一個字串"xyz"，然後將該字串的記憶體位址賦給了str變數，即str中儲存了"xyz"記憶體位址的引用，而change()方法是按值傳遞的，相當於再建立了一個字串對象"xml"，而這個對象又有另外一個不同的地址引用，並非之前的x儲存的引用。

在並發編程中，一種被普遍認可的原則就是：儘可能的使用不可變對象來建立簡單、可靠的代碼。不可變對象特別有用，由於建立後不能被修改，所以不會出現由於線程幹擾產生的錯誤或是記憶體一致性錯誤。使用不可變對象降低了記憶體回收所產生的額外開銷，也減少了用來確保使用可變對象不出現並發錯誤的一些額外代碼。

immutable的優點

不可變對象可以在很大程度上簡化我們的程式碼，並且具有以下優點：

    ——不可變對象易於構造，使用和測試；

    ——自動地為安全執行緒型，避免了一些繁雜的同步問題；

    ——不需要一個複製建構函式（copy constructor）；

    ——不需要一個clone的實現;

    ——允許hashCode()方法的懶漢模式實現，並且緩衝它的傳回值；

    ——當作為一個欄位時，不需要複製；

    ——一旦構造以後，具有類型不變性，不用檢查；

    ——[引用名言]if an immutable object throws an exception, it‘s never left in an undesirable or indeterminate state。

immutable的設計方法

    ——確保類不會被覆寫，即該類不會被繼承，實現這一點要加上修飾符final；或者使用靜態工廠建立方法，確保建構函式私人的；

    ——所有的欄位必須是私人的，並且加上修飾符final；

    ——所有的設定只需簡單的一個建構函式即可，不要使用空建構函式，不要使用Javabean風格的建構函式；

    ——不要提供任何可以改變對象的方法，不僅僅是setter，一切能夠修改對象狀態的方法都要避免；

    ——如果該類有可變欄位的對象，則必須進行保守型複製，並且只能由該類自身進行修改。

immutable類的代碼執行個體

final public class ImmutableRGB {    // 常量欄位    final private int red;    final private int green;    final private int blue;    final private String name;    //私人方法，檢查三基色的值是否在0~255之間，若不符合，則拋出異常    private void check(int red,                       int green,                       int blue) {        if (red < 0 || red > 255            || green < 0 || green > 255            || blue < 0 || blue > 255) {            throw new IllegalArgumentException();        }    }    //唯一的一個構造方法，先檢查欄位是否合法，然後傳遞所有欄位    public ImmutableRGB(int red,                        int green,                        int blue,                        String name) {        check(red, green, blue);        this.red = red;        this.green = green;        this.blue = blue;        this.name = name;    }    //get方法    public int getRGB() {        return ((red << 16) | (green << 8) | blue);    }    //get方法    public String getName() {        return name;    }    //對顏色值進行求逆    public ImmutableRGB invert() {        return new ImmutableRGB(255 - red,                       255 - green,                       255 - blue,                       "Inverse of " + name);    }}

從上面一段代碼可以看出，這是一個不可變的類，其對象是一個不可變對象。對象一旦建立，就不會被修改。最後的一段代碼，反映了一旦對對象進行修改，不要返回對象本身，而是拷貝一份返回。這種不可變對象很好地解決了並發編程中的競爭問題，不用考慮線程的同步，因為對象一旦建立，不會改變。

immutable類的不正確使用

下面一段代碼顯示了表面上看起來是一個immutable類，實際上則是一個mutable類：

import java.util.Date;public final class BrokenPerson{private String firstName;private String lastName;private Date dob;public BrokenPerson( String firstName,  String lastName, Date dob){this.firstName = firstName;this.lastName = lastName;this.dob = dob;}public String getFirstName(){return this.firstName;}public String getLastName(){return this.lastName;}public Date getDOB(){return this.dob;}}

這段代碼看起來沒有問題，但是 請注意dob是一個Date對象，則說明它是一個mutable對象欄位，如果客戶用下面一段代碼去調用：

Date myDate = new Date();BrokenPerson myPerson =  new BrokenPerson( "David", "O‘Meara", myDate );System.out.println( myPerson.getDOB() );myDate.setMonth( myDate.getMonth() + 1 );System.out.println( myPerson.getDOB() );

那麼，返回的結果有可能是

Mon Mar 24 21:34:16 GMT+08:00 2013Thu Apr 24 21:34:16 GMT+08:00 2013

因此，我們看到myPerson實際上是一個mutable對象，問題就出在BrokenPerson具有一個mutable對象的欄位，那麼 我們應該使用它的拷貝來建立對象，而不是直接引用：

import java.util.Date;public final class BetterPerson{private String firstName;private String lastName;private Date dob;public BetterPerson( String firstName,  String lastName, Date dob){this.firstName = firstName;this.lastName = lastName;this.dob = new Date( dob.getTime() );}                 //.......                public Date getDOB()       {return new Date( this.dob.getTime() );        } 

注意，對於所有mutable的欄位，應該要使用拷貝來在類中"進進出出"，這樣才比較安全。

總結

本文簡單介紹了immutable的優點及其設計方法，不可變對象最大的缺點就是建立對象的開銷，因為每一步操作都會產生一個新的對象，然而合理地使用immutable可以帶來極大的好處。不可變類最適合表示抽象資料類型（如數字、枚舉類型或顏色）的值。Java 類庫中的基礎資料型別 (Elementary Data Type)的封裝類（如Integer 、 Long 和 Float ）都是不可變的，其它數字類型（如 BigInteger 和 BigDecimal ）也是不可變的。表示複數或任意精度的有理數的類將比較適合設計為不可變類。甚至包含許多離散值的抽象類別型（如向量或矩陣）也很適合設計成不可變類，這取決於你的應用程式。
另一個適合用不可變類實現的好樣本就是事件 。事件的生命期較短，而且常常會在建立它們的線程之外的線程中消耗，所以使它們成為不可變的是利大於弊。大多數 AWT 事件類別都沒有嚴格的作為不可變類來實現。同樣地，在通訊系統的組件間進行訊息傳遞，將訊息對象設計成不可變的是明智的。

Java設計模式之immutable（不可變）模式