详解Java如何实现一个像String一样不可变的类

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。

来源：https://mp.weixin.qq.com/s/fOXeblVcw9Ph5ug5eehb-A