Effective Java Item15 – 使可變性最小化

這篇是Effective Java – Minimize mutability章節的讀書筆記 本篇的程式碼來自於原書內容

Item15: 使可變性最小化

不可變類 指的是實例不可以被修改 每個實例中包含的所有訊息必須在創建的時候就提供 直到生命週期結束前都不能變化

Java類庫裡有許多不可變類 比如說String, BigInteger等等 這類型的好處是容易設計 好用 安全

要設計一個不可變類 有五個規則要遵守

1.不提供會修改狀態的方法(mutator)

2.保證類不會被擴展: 這樣可以防止惡意的子類去改變狀態 最簡單的就是讓這個類別是final 比較好的方法就是讓所有構造器是私有或是包級私有 然後用靜態工廠來取代構造器 等等再來細談

3.所有變量都是final:

4.使所有的變量都是私有: 防止客戶拿到變量的引用 雖然你還是可能讓你的變量public static final 只要這些變量指到基本類型的值或是不可變對象 但是不建議這麼做 因為這樣會讓往後的版本 無法再改變內部的表示法

5.確保客戶不能存取到可變對象: 說起來容易 但很容易出錯 比如說不要直接拿客戶提供的引用 assign給自己的變量 而且要記得在構造器 訪問方法和readObject方法中使用保護型拷貝

比如說 看一下這個複數(包含實部和虛部)的example

public final class Complex {
  private final double re;
  private final double im;
  public Complex(double re, double im) {
    this.re = re;
    this.im = im;
  }
  // Accessors with no corresponding mutators
  public double realPart() { return re; }
  public double imaginaryPart() { return im; }
  public Complex add(Complex c) {
    return new Complex(re + c.re, im + c.im);
  }
  public Complex subtract(Complex c) {
    return new Complex(re - c.re, im - c.im);
  }
  public Complex multiply(Complex c) {
    return new Complex(re * c.re - im * c.im, re * c.im + im * c.re);
  }
  public Complex divide(Complex c) {
    double tmp = c.re * c.re + c.im * c.im;
    return new Complex((re * c.re + im * c.im) / tmp,
    (im * c.re - re * c.im) / tmp);
  }
}

值得注意的是每個加減乘除的操作 都是返回一個 新的複數

優點

1.簡單: 所有不可變類別的實例就只有一種狀態 就是剛創建時的狀態 所以你有任何的約束 都只要寫在構造器裡就可以 不用出現在每個setter裡

2.線程安全: 當多個線程同時訪問這個物件 因為不能修改 所以也沒有race condition的問題 所以代表說 不可變對象可以自由地被共享
這也代表說 對於常用的值 你可以放心地提供public static final 比如說 複數類就可以提供幾個常用的

public static final Complex ZERO = new Complex(0, 0);
public static final Complex ONE = new Complex(1, 0);
public static final Complex I = new Complex(0, 1);

還可以再進一步擴展 不可變的類可以再提供一個靜態工廠 把被頻繁的請求的實例緩存 也降低了內存和垃圾回收的成本

永遠記得在設計一個類別時 選擇用靜態工廠取代公有構造器可以讓你有添加緩存的靈活性 而不影響客戶

3.不需進行保護型拷貝 也不需要提供clone 或是copy constructor

4.不僅可以共享不可變對象 還可以共享訊息 比如說BigInteger的negate

/**
 * Returns a BigInteger whose value is {@code (-this)}.
 *
 * @return {@code -this}
 */
public BigInteger negate() {
    return new BigInteger(this.mag, -this.signum);
}

新的回傳的BigInteger的mag指到的Array跟舊的是同一個 不需要重新一個一個copy 直接拿來用

5.不可變對象為其他對象提供了大量的構建(building blocks)

當你本身是一個不可變對象時 當你被一個複雜對象使用 成為一部分時 也比較好維持複雜對象的約束

比如說一個Map 可以很放心的把一個不可變對象拿來當作Key 一個Set也可以很放心的把不可變對象拿來當作element 因為他們被丟進去之後就不會變化了

缺點

對於不同的值 需要一個不同的對象 而如果創建新的對象代價很高就會影響性能

比如你有一個100位數的BigInteger 你想把個位數從1改成2 可變對象就是直接一個assignment 但不可變對象就是需要一個新的BigInteger 把前99位複製 再assign第100位

這是O(n)跟O(1)的時間差距

靜態工廠

剛剛在五個原則裡面有提到 我們必須讓類別不能被繼承 除了宣告final之外 比較好的方法就是讓所有構造器是私有或是包級私有 然後用靜態工廠來取代構造器

上例子

// Immutable class with static factories instead of constructors
public class Complex {
  private final double re;
  private final double im;
  private Complex(double re, double im) {
    this.re = re;
    this.im = im;
  }
  public static Complex valueOf(double re, double im) {
    return new Complex(re, im);
  }
  ... // Remainder unchanged
}

這是最靈活也通常是最好的替代方案 比如說你今天想支援極座標 只需要再加一個工廠

public static Complex valueOfPolar(double r, double theta) { 
  return new Complex(r * Math.cos(theta), r * Math.sin(theta)); 
}

放輕鬆

一開始講的五個規則 事實上 太過於嚴格 我們為了性能的要求 可以稍微放鬆一點點

事實上不可變類別的定義是 沒有一個方法能夠對對象的狀態產生外部可見
的改變

舉個例子PhoneNumber這個類別的物件 有一個非final的成員 專門用來存電話號碼的hash 可是這個hash如果沒有人想知道 它就沒有計算的必要 當第一次有人想知道這個實例的hash值 它會把它算好 存在這個hash裡(此時這個hash被變動了 可是這個值並不是外部可見) 之後有人再次想知道你的hash就直接拿這個值來用 因為我們已經保證了被拿來計算hash的其他成員是不可變的

不可變類的序列化

如果你想讓自己的不可變類實現實現Serializable接口 並且包含一個或多個指向可變對象的引用 你就必須提供一個顯式的readResolve或是readObject 即使預設的序列化可以接受也是一樣 否則攻擊者可以從不可變的類中創建可變的物件 更多細節請見Item76

總結

堅決不要為每個get方法都要寫一個set 除非你有很好的理由讓一個類是可變的類 否則就應該是不可變的 不可變類的優點很多 缺點就只有某些特定情況下的性能問提

如果對於某些類別 不可變性是不實際的 那即使你讓一個類可變 也應該要盡量限制它的可變性 降低對象可以存在的狀態數讓你更容易分析行為 除非你有很好理由 不然 每個變量都應該是預設final

原文 

https://jyt0532.github.io/2018/04/28/minimize-mutability/

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