String类不可变以及不可变类总结

      String类在java中是immutable(不可变)，因为它被关键字final修饰。当String实例创建时就会被初始化，并且以后无法修改实例信息。String类是工程师精心设计的艺术品。

一、String为什么不可变？

       要了解String类创建的实例为什么不可变，首先要知道final关键字的作用：final的意思是“最终，最后”。final关键字可以修饰类、方法、字段。修饰类时，这个类不可以被继承；修饰方法时，这个方法就不可以被覆盖(重写)，在JVM中也就只有一个版本的方法–实方法；修饰字段时，这个字段就是一个常量。

        查看java.lang.String方法时，可以看到：

/**
 * The String class represents character strings. All string literals in Java programs, such as "abc",
 * are implemented as instances of this class.
*/
public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
   ...
}

“The String class represents character strings”意思是String类表示字符串；String类被关键字final修饰，可以说明它不可被继承；从”private final char value[]”可知，String本质上是一个char数组。

        String类的成员字段value是一个char[]数组，而且也是用final关键字修饰，被final关键字修饰的字段在创建后其值是不可变的，但也只是value这个引用地址不可变，可是Array数组的值却是可变的，Array数组数据结构如下图所示：

从图中可以看出，Array变量只是栈上(stack)的一个引用，数组中的数据存储在堆上(heap)。String类里的value是用final修饰，只能说在栈上(stack)这个value的引用地址不可变，可没说堆里的Array本身数据不可变。看下面这个例子：

final int[] value = {1,2,3,4,5};
int otherValue = {6,7,8,9,10};
value = otherValue;//编译报错

value是被final关键字修饰的，编译器不允许把value指向堆另外一个地址；但如果直接对数组元素进行赋值，就允许；如下面这个例子：

final int[] value  = {1,2,3,4,5};
value[0] = 0;

        所以说String是不可变，在后面所有的String方法里没有去动Array中的元素，也没有暴露内部成员字段。private  final char value[],private的私有访问权限的作用都比final大。所以String是不可变的关键都是在底层实现的，而不是一个简单的final关键字。

二、String类实例不可变的内存结构图

        String类实例不可变很简单，如下图所示是String类实例不可变的内存结构图：

有一个字符串s的值为”abcd”，它再次被赋值为”abcdef”，不是在原堆的地址上修改数据，而是重新指向一个新的对象，新的地址。

三、字符串常量池

        字符串常量池是方法区(Method Area)中一个特殊的存储区域。当一个字符串被创建时，如果这个字符串的值已经存在String pool中，就返回这个已经存在的字符串引用，而不是创建一个新的对象。下面的代码只会在堆中创建一个对象：

String name="abcd";
String userName="abcd";

这样在大量使用字符串的情况下，可以节省内存空间，提高效率。但之所以能实现这个特性，String的不可变性是最基础的一个必要条件。

四、String类不可变有什么好处？

    最简单的就是为了安全和效率。从安全上讲，因为不可变的对象不能被改变，他们可以在多个线程之间进行自由共享，这消除了进行同步的要求；从效率上讲，设计成final，JVM才不用对相关方法在虚函数表中查询，而是直接定位到String类的相关方法上，提高执行效率；总之，由于效率和安全问题，String被设计成不可变的，这也是一般情况下，不可变的类是首选的原因。

五、不可变类

        不可变类只是它的实例不能被修改的类。每个实例中包含的所有信息都必须在创建该实例时就提供，并在对象 的整个生命周期内固定不变。String、基本类型的包装类、BigInteger和BigDecimal就是不可变得类。

        为了使类成为不可变，必须遵循以下5条规则：①不要提供任何会修改对象状态的方法。②保证类不会被扩展。③使所有的域都是final。④使所有的域都成为私有的。⑤确保 对于任何可变组件的互斥访问。如果类具有指向可变对象的域，则必须确保该类的客户端无法获得指向这些对象的引用。

六、不可变类的优点和缺点

        不可变类实例不可变性，具有很多优点。①不可变类对象比较简单。不可变对象可以只有一种状态，即被创建时的状态。②不可变对象本质上是线程安全的，它们不要求同步。当多个线程并发访问这样的对象时，它们不会遭到破坏。实际上，没有任何线程会注意到其他线程对于不可变对象的影响。所以，不可变对象可以被自由地分配。“不可变对象可以被自由地分配”导致的结果是：永远不需要进行保护性拷贝。③不仅可以共享不可变对象，甚至也可以共享它们的内部信息。④不可变对象为其他对象提供了大量的构件。如果知道一个复杂对象内部的组件不会改变，要维护它的不变性约束是比较容易的。

        不可变类真正唯一的缺点是，对于每个不同的值都需要一个单独的对象。创建这种对象的代价很高。

七、如何构建不可变类？

        构建不可变类有两种方式：用关键字final修饰类和让类的所有构造器都变成私有的或者包级私有的，并添加公有的静态工厂来替代公有的构造器。

        为了具体说明用静态工厂方法来替代公有的构造器，下面以Complex为例：

//复数类
public class Complex{
    //实数部分
    private final double re;
    //虚数部分
    private final double im;
    //私有构造器
    private Complex(double re,double im){
        this.re = re;
        this.im = im;
    }
    //静态工厂方法，返回对象唯一实例
    public static Complex valueOf(double re,double im){
        return new Complex(re,im);
    }
    ...
}

      不可变的类提供一些静态工厂方法，它们把频繁请求的实例缓存起来，从而当现在实例符合请求的时候，就不必创建新的实例。使用这样的静态工厂方法使得客户端之间可以共享现有的实例，而不是创建新的实例，从而减低内存占用和垃圾回收的成本。

       总之，使类的可变性最小化。不要为每个get方法编写一个相对应的set方法，除非有很好的理由要让类成为可变的类，否则就应该是不可变的。如果有些类不能被做成是不可变的，仍然应该尽可能地限制它的可变性。不可变的类有很多优点，但唯一的缺点就是在特定的情况下存在潜在的性能问题。

PS：静态工厂方法是什么？

静态工厂方法只是一个返回类的实例的静态方法，如下面是一个Boolean的简单实例。这个方法将boolean基本类型值转换成一个Boolean对象引用。

public static Boolean valueOf(boolean b){
    return b?Boolean.TRUE?Boolean.FALSE;
}

静态工厂方法相对于构造器来说，具有很多优势：

①创建的方法有名字；

②不必在每次调用它们的时候都创建一个新的对象；

③可以返回原返回类型的任何子类的对象。这样我们在选择返回对象的类时就有更大的灵活性，这种灵活性的一种应用是API可以返回对象，同时又不会使对象的类变成公有的。以这种方式隐藏实现类会使API变得非常简洁，这项技术适用于基于接口的框架。

④在创建参数化类型实例时，它们使代码变得更加简洁。编译器可以替你找到类型参数，这被称为类型推导。如下面这个例子

public static<k,v> HashMap<k,v> newInstance(){
    return new HashMap<k,v>();
}

静态工厂方法也有缺点：

①类如果不含公有的或者受保护的构造器，就不能被子类化。对于公有的静态工厂方法所返回的非公有类也同样如此。

②它们与静态方法实际上没有什么区别。

简而言之，静态工厂方法和公有构造器都各有用处，我们需要理解它们各自的长处。结合实际情况，再做选择。

参考文章：Why String is immutable in Java?

                  在java中String类为什么要设计成final？程序员–知乎