Java中的不可变对象详解

描述
不可变对象是指创建后其状态不能被修改的对象。在Java中，String、Integer等包装类都是不可变对象的典型代表。理解不可变对象对编写安全、高效的多线程代码至关重要。

为什么需要不可变对象

1. 线程安全：不可变对象天生线程安全，不需要同步
2. 缓存友好：可以安全地缓存和重用
3. 简化设计：避免了复杂的状态管理
4. 适合作为Map的键：状态不变保证了hashCode的一致性

创建不可变对象的规则
要创建一个真正的不可变类，需要遵循以下5条规则：

步骤1：将类声明为final

public final class ImmutablePerson {
    // 类实现
}

• 目的：防止被子类继承后通过重写方法改变行为

步骤2：将所有字段声明为private final

public final class ImmutablePerson {
    private final String name;
    private final int age;
    private final Date birthDate; // 注意：Date是可变的
}

• private：防止外部直接访问
• final：确保字段只能赋值一次（在构造函数中）

步骤3：不提供setter方法

// 只有getter，没有setter
public String getName() {
    return name;
}

public int getAge() {
    return age;
}

步骤4：在构造函数中深度拷贝可变对象

public final class ImmutablePerson {
    private final Date birthDate;
    
    // 错误的构造函数 - 存在安全隐患
    public ImmutablePerson(Date birthDate) {
        this.birthDate = birthDate; // 外部可以修改传入的Date对象
    }
    
    // 正确的构造函数 - 防御性拷贝
    public ImmutablePerson(Date birthDate) {
        this.birthDate = new Date(birthDate.getTime()); // 创建副本
    }
}

步骤5：在getter方法中返回可变对象的副本

public Date getBirthDate() {
    // 错误的做法：直接返回内部引用
    // return birthDate;
    
    // 正确的做法：返回防御性副本
    return new Date(birthDate.getTime());
}

完整示例代码

public final class ImmutablePerson {
    private final String name;
    private final int age;
    private final Date birthDate;
    
    public ImmutablePerson(String name, int age, Date birthDate) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        // 防御性拷贝
        this.birthDate = new Date(birthDate.getTime());
    }
    
    public String getName() { return name; }
    
    public int getAge() { return age; }
    
    public Date getBirthDate() {
        // 返回防御性副本
        return new Date(birthDate.getTime());
    }
}

验证不可变性

public class ImmutabilityTest {
    public static void main(String[] args) {
        Date originalDate = new Date();
        ImmutablePerson person = new ImmutablePerson("Alice", 25, originalDate);
        
        // 尝试修改原始Date对象
        originalDate.setTime(0); // 不影响person内部的birthDate
        
        // 尝试通过getter修改
        Date retrievedDate = person.getBirthDate();
        retrievedDate.setTime(0); // 不影响person内部的birthDate
        
        System.out.println("Person birth date: " + person.getBirthDate());
        // 输出仍然是原始时间，证明对象确实不可变
    }
}

数组字段的特殊处理
当不可变类包含数组字段时，需要特别小心：

public final class ImmutableArrayContainer {
    private final String[] elements;
    
    public ImmutableArrayContainer(String[] elements) {
        // 防御性拷贝数组
        this.elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length);
    }
    
    public String[] getElements() {
        // 返回数组的副本
        return Arrays.copyOf(elements, elements.length);
    }
    
    // 更好的做法：返回不可变视图
    public List<String> getElementsAsList() {
        return Collections.unmodifiableList(Arrays.asList(elements));
    }
}

不可变对象的优势

1. 线程安全：无需同步，天然支持并发访问
2. 缓存友好：可以安全缓存，如String常量池
3. 简化测试：状态固定，行为可预测
4. 适合作为Map键：hashCode稳定，不会因状态改变而失效

使用场景

• 值对象（如Money、Color）
• 配置信息
• 事件对象
• 任何需要共享且不应被修改的数据

通过遵循这些规则，你可以创建真正不可变的对象，从而编写出更安全、更可靠的Java程序。