深入不可变类——谈谈String与包装类的底层实现

一、走进不可变类
不可变类是指在创建实例后该例变量不可以改变的类。比如String类和包装类。定义不可变类需要遵守：1.成员变量设置为priavte ,final修饰 2.提供带参构造器对成员变量进行初始化 3.只提供getter，不提供setter 4.如有必要，重写equals()和hashcode()，使成员变量值一样的实例equals()运算返回true且hashcode值相同。下面简单实现了一个不可变类。

public class Address {
    private final String detail;
    private final String postCode;
    public Address() {
        detail="";
        postCode="";
    }
    public Address(String detail, String postCode) {
        super();
        this.detail = detail;
        this.postCode = postCode;
    }
    public String getDetail() {
        return detail;
    }
    public String getPostCode() {
        return postCode;
    }

    public boolean equals(Object obj){
        if(this==obj) return true;
        if(obj!=null&&(obj.getClass()==Address.class)){
            Address ad=(Address)obj;
            if(ad.getDetail().equals(this.getDetail())&&ad.getPostCode().equals(this.getPostCode())){
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    public int hashcode(){
        return detail.hashCode()+postCode.hashCode()*31;
    }
}

二、含有引用类型成员变量的不可变类
对于Address类，它的成员变量都是基本数据类型，但是如果是引用数据类型的成员变量，把引用成员变量定义成为final类型只是代表引用地址不会发生改变，如果这个引用成员变量是可变类型的对象，其值仍然可能发生改变，这种情况一旦出现，设计不可变类的需求就会失败。比如下面这个例子。

class Name {
    private String firstName;
    private String lastName;

    public Name() {
    }

    public Name(String firstName, String lastName) {
        super();
        this.firstName = firstName;
        this.lastName = lastName;
    }

    public String getFirstName() {
        return firstName;
    }

    public void setFirstName(String firstName) {
        this.firstName = firstName;
    }

    public String getLastName() {
        return lastName;
    }

    public void setLastName(String lastName) {
        this.lastName = lastName;
    }

}

public class Person {
    private final Name name;

    public Name getName() {
        return name;
    }

    public Person(Name name) {
        super();
        this.name = name;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Name name = new Name("悟空", "孙");
        Person p = new Person(name);
        // 输出悟空
        System.out.println(p.getName().getFirstName());
        name.setFirstName("八戒");
        // 输出八戒
        System.out.println(p.getName().getFirstName());
    }
}

我们可以对Person类进行下修改，实现不可变类的设计需求。

public class Person {
    private final Name name;

    public Name getName() {
        // 返回一个成员变量name的副本
        return new Name(name.getFirstName(), name.getFirstName());
    }

    public Person(Name name) {
        super();
        // 创建一个新的name副本，使其与形参name的FirstName,lastName值相同
        this.name = new Name(name.getFirstName(), name.getFirstName());
    }
}

三、带缓冲池的不可变类
不可变类的实例状态不会发生改变，可以方便地被多个对象所共享，如果需要频繁使用实例对象，可以进行缓存，毕竟创建相同的对象没有意义，还会加大系统的内存开销。下面我们通过一个数组来作为缓存池，实现一个缓存实例的不可变类。

ublic class CacheImmutale {
    private static int MAX_SIZE = 10;
    private static CacheImmutale[] Cache = new CacheImmutale[MAX_SIZE];
    // 用来记录实例在缓存中的位置，CacheImmutale[pos-1]为最新的缓存实例
    private static int pos = 0;
    private final String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    private CacheImmutale(String name) {
        super();
        this.name = name;
    }

    public static CacheImmutale valueof(String name) {
        // 如果存在该实例，则返回该实例
        for (int i = 0; i < MAX_SIZE; i++) {
            if (Cache[i] != null && Cache[i].getName().equals(name)) {
                return Cache[i];
            }
        }
        // 如果缓冲池满了，则把实例放入缓冲池数组最开始,pos置1
        if (pos == MAX_SIZE) {
            Cache[0] = new CacheImmutale(name);
            pos = 1;
        }
        // 创建实例加入缓冲池,pos加1
        else {
            Cache[pos++] = new CacheImmutale(name);
        }
        return Cache[pos - 1];
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        return name.hashCode();
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj != null && (obj.getClass() == CacheImmutale.class)) {
            CacheImmutale cache = (CacheImmutale) obj;
            if (cache.getName().equals(this.getName())) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CacheImmutale c1 = CacheImmutale.valueof("张三");
        CacheImmutale c2 = CacheImmutale.valueof("张三");
        //输出true
        System.out.println(c1 == c2);
    }
}

包装类Integer就采取了类似的缓冲机制，当使用Integer.valueof()创建实例时，-128~127的Integer对象都可以直接在缓冲池中引用。下面看看这道常考的笔试题，有没有感到豁然开朗。

public class WrapClassCompare {
    public static void main(String[] args) {
        Integer it1 = new Integer(5);
        // 基本数据类型和包装类型进行比较,比较值,顺利进行,true
        System.out.println(it1 == 5);

        Integer it2 = new Integer(5);
        // 两个引用类型数据,比较的是地址，false
        System.out.println(it1 == it2);

        // 通过自动装箱把基本类型数据赋值给引用类型数据
        Integer it3 = 5;
        Integer it4 = 5;
        // 输出true，这是因为-128~127的Integer类型数据自动装箱数据时，会直接引用Integer[]类型的cache数组中元素
        System.out.println(it3 == it4);

        Integer it5 = 128;
        Integer it6 = 128;
        //输出false,Integer的cache数组存放容量有限，只存放-128~127
        System.out.println(it5 == it6);
    }
}

带缓存的不可变类并不是在任何场合都适用，如果一个对象使用的频率不高，不要用缓存来存放，这样会浪费系统内存资源。