java - 不可变是什么意思？

Question

这可能是有史以来最愚蠢的问题，但我认为这对于 Java 新手来说是相当混乱的。

有人可以澄清什么是不可变的吗？
为什么是String不可变的？
不可变对象的优点/缺点是什么？
为什么像 String 这样的可变对象StringBuilder应该优先于 String ，反之亦然？

一个很好的例子（在Java中）将不胜感激。

score 276 · Accepted Answer

不可变意味着一旦对象的构造函数完成执行，该实例就无法更改。

这很有用，因为它意味着您可以传递对对象的引用，而不必担心其他人会更改其内容。特别是在处理并发时，永远不会改变的对象不存在锁定问题

例如

class Foo
{
     private final String myvar;

     public Foo(final String initialValue)
     {
         this.myvar = initialValue;
     }

     public String getValue()
     {
         return this.myvar;
     }
}

Foo不必担心调用者getValue()可能会更改字符串中的文本。

如果您想象一个与类似的类Foo，但使用 aStringBuilder而不是 aString作为成员，您可以看到调用者 togetValue()将能够更改实例的StringBuilder属性。Foo

还要注意您可能会发现的不同类型的不变性：Eric Lippert 写了一篇关于此的博客文章。基本上，您可以拥有其接口不可变但在幕后实际可变私有状态的对象（因此不能在线程之间安全共享）。

score 82 · Accepted Answer

不可变对象是内部字段（或至少影响其外部行为的所有内部字段）无法更改的对象。

不可变字符串有很多优点：

性能：进行如下操作：

String substring = fullstring.substring(x,y);

substring() 方法的底层 C 可能是这样的：

// Assume string is stored like this:
struct String { char* characters; unsigned int length; };

// Passing pointers because Java is pass-by-reference
struct String* substring(struct String* in, unsigned int begin, unsigned int end)
{
    struct String* out = malloc(sizeof(struct String));
    out->characters = in->characters + begin;
    out->length = end - begin;
    return out;
}

请注意，无需复制任何字符！ 如果 String 对象是可变的（字符可以稍后更改），那么您必须复制所有字符，否则对子字符串中字符的更改将在稍后反映在另一个字符串中。

并发性：如果一个不可变对象的内部结构是有效的，那么它将永远是有效的。不同的线程不可能在该对象中创建无效状态。因此，不可变对象是线程安全的。

垃圾收集：垃圾收集器对不可变对象做出逻辑决策要容易得多。

但是，不变性也有缺点：

性能：等等，我以为你说性能是不变性的一个优点！嗯，有时是，但并非总是如此。采取以下代码：

foo = foo.substring(0,4) + "a" + foo.substring(5);  // foo is a String
bar.replace(4,5,"a"); // bar is a StringBuilder

这两行都用字母“a”替换了第四个字符。第二段代码不仅更具可读性，而且速度更快。看看你将如何为 foo 做底层代码。子字符串很简单，但是现在因为在空格 5 处已经有一个字符并且其他东西可能正在引用 foo，所以你不能只更改它；您必须复制整个字符串（当然，其中一些功能被抽象为真正的底层 C 中的函数，但这里的重点是显示在一个地方执行的代码）。

struct String* concatenate(struct String* first, struct String* second)
{
    struct String* new = malloc(sizeof(struct String));
    new->length = first->length + second->length;

    new->characters = malloc(new->length);

    int i;

    for(i = 0; i < first->length; i++)
        new->characters[i] = first->characters[i];

    for(; i - first->length < second->length; i++)
        new->characters[i] = second->characters[i - first->length];

    return new;
}

// The code that executes
struct String* astring;
char a = 'a';
astring->characters = &a;
astring->length = 1;
foo = concatenate(concatenate(slice(foo,0,4),astring),slice(foo,5,foo->length));

请注意， concatenate 被调用了两次，这意味着必须循环遍历整个字符串！将此与bar操作的 C 代码进行比较：

bar->characters[4] = 'a';

可变字符串操作显然要快得多。

结论：在大多数情况下，您需要一个不可变的字符串。但是，如果您需要对字符串进行大量附加和插入操作，则需要可变性以提高速度。如果你想要并发安全和垃圾收集的好处，关键是让你的可变对象保持在方法的本地：

// This will have awful performance if you don't use mutable strings
String join(String[] strings, String separator)
{
    StringBuilder mutable;
    boolean first = true;

    for(int i = 0; i < strings.length; i++)
    {
        if(!first) first = false;
        else mutable.append(separator);

        mutable.append(strings[i]);
    }

    return mutable.toString();
}

由于该mutable对象是本地引用，因此您不必担心并发安全性（只有一个线程接触过它）。而且由于它没有在其他任何地方引用，它只在堆栈上分配，所以一旦函数调用完成它就会被释放（你不必担心垃圾收集）。您可以获得可变性和不变性的所有性能优势。

score 32 · Accepted Answer

如果您使用上面建议的维基百科定义，实际上 String 不是不可变的。

字符串的状态确实会改变构建后的状态。看一下 hashcode() 方法。String 将 hashcode 值缓存在本地字段中，但直到第一次调用 hashcode() 时才计算它。这种对哈希码的惰性求值将 String 作为一个状态发生变化的不可变对象置于一个有趣的位置，但如果不使用反射就无法观察到它发生了变化。

所以也许不可变的定义应该是一个不能被观察到已经改变的对象。

如果一个不可变对象在创建后状态发生变化，但没有人可以看到它（没有反射），那么该对象仍然是不可变的吗？

score 24 · Accepted Answer

不可变对象是不能以编程方式更改的对象。它们特别适用于多线程环境或其他多个进程能够更改（变异）对象中的值的环境。

然而，澄清一下，StringBuilder 实际上是一个可变对象，而不是不可变对象。常规的 java String 是不可变的（这意味着一旦创建它，您就不能在不更改对象的情况下更改底层字符串）。

例如，假设我有一个名为 ColoredString 的类，它有一个字符串值和一个字符串颜色：

public class ColoredString {

    private String color;
    private String string;

    public ColoredString(String color, String string) {
        this.color  = color;
        this.string = string;
    }

    public String getColor()  { return this.color;  }
    public String getString() { return this.string; }

    public void setColor(String newColor) {
        this.color = newColor;
    }

}

在此示例中，ColoredString 被称为是可变的，因为您可以更改（变异）其关键属性之一，而无需创建新的 ColoredString 类。这可能不好的原因是，例如，假设您有一个具有多个线程的 GUI 应用程序，并且您正在使用 ColoredStrings 将数据打印到窗口。如果您有一个创建为 ColoredString 的实例

new ColoredString("Blue", "This is a blue string!");

然后你会期望字符串总是“蓝色”。然而，如果另一个线程得到了这个实例并调用了

blueString.setColor("Red");

当您想要一个“蓝色”字符串时，您会突然（并且可能出乎意料地）现在有一个“红色”字符串。因此，在传递对象实例时，几乎总是首选不可变对象。当您遇到真正需要可变对象的情况时，您通常会通过仅从您的特定控制领域传递副本来保护对象。

回顾一下，在 Java 中，java.lang.String 是一个不可变对象（一旦创建就不能更改），而 java.lang.StringBuilder 是一个可变对象，因为它可以在不创建新实例的情况下更改。

score 24 · Accepted Answer

在大型应用程序中，字符串文字通常会占用大量内存。因此，为了有效地处理内存，JVM 分配了一个称为“字符串常量池”的区域。（请注意，在内存中，即使是未引用的字符串也带有一个 char[]，一个 int 表示它的长度，另一个表示它的 hashCode。对于一个数字，相比之下，最多需要八个立即字节）
当编译器遇到字符串文字时，它会检查池以查看是否已经存在相同的文字。如果找到一个，则对新文字的引用将定向到现有字符串，并且不会创建新的“字符串文字对象”（现有字符串只是获得额外的引用）。
因此：字符串可变性节省了内存......
但是，当任何变量的值发生变化时，实际上 - 只是它们的引用发生了变化，而不是内存中的值（因此它不会影响引用它的其他变量），如下所示......

字符串 s1 = "旧字符串";

//s1 variable, refers to string in memory
        reference                 |     MEMORY       |
        variables                 |                  |

           [s1]   --------------->|   "Old String"   |

字符串 s2 = s1;

//s2 refers to same string as s1
                                  |                  |
           [s1]   --------------->|   "Old String"   |
           [s2]   ------------------------^

s1 = "新字符串";

//s1 deletes reference to old string and points to the newly created one
           [s1]   -----|--------->|   "New String"   |
                       |          |                  |
                       |~~~~~~~~~X|   "Old String"   |
           [s2]   ------------------------^

原始字符串'in memory'没有改变，但是引用变量被改变了，所以它引用了新的字符串。如果我们没有 s2，“旧字符串”仍会在内存中，但我们将无法访问它......

score 16 · Accepted Answer

“不可变”意味着你不能改变价值。如果您有一个 String 类的实例，那么您调用的任何似乎修改值的方法实际上都会创建另一个 String。

String foo = "Hello";
foo.substring(3);
<-- foo here still has the same value "Hello"

要保留更改，您应该执行以下操作 foo = foo.sustring(3);

当您使用集合时，不可变与可变可能会很有趣。想想如果你使用可变对象作为 map 的键然后改变值会发生什么（提示：想想equalsand hashCode）。

score 13 · Accepted Answer

java.time

可能有点晚了，但为了理解什么是不可变对象，请考虑以下来自新 Java 8 日期和时间 API ( java.time ) 的示例。您可能知道 Java 8 中的所有日期对象都是不可变的，因此在以下示例中

LocalDate date = LocalDate.of(2014, 3, 18); 
date.plusYears(2);
System.out.println(date);

输出：

2014-03-18

这将打印与初始日期相同的年份，因为它plusYears(2)返回一个新对象，因此旧日期仍然不变，因为它是一个不可变对象。一旦创建，您将无法进一步修改它，并且日期变量仍然指向它。

因此，该代码示例应捕获并使用该调用实例化并返回的新对象plusYears。

LocalDate date = LocalDate.of(2014, 3, 18); 
LocalDate dateAfterTwoYears = date.plusYears(2);

date.toString()…2014-03-18

dateAfterTwoYears.toString()…2016-03-18

score 8 · Accepted Answer

我真的很喜欢SCJP Sun Certified Programmer for Java 5 Study Guide的解释。

为了提高 Java 的内存效率，JVM 预留了一个特殊的内存区域，称为“字符串常量池”。当编译器遇到字符串字面量时，它会检查池以查看是否已经存在相同的字符串。如果找到匹配项，则对新文字的引用将定向到现有字符串，并且不会创建新的字符串文字对象。

score 8 · Accepted Answer

不可变对象在创建后不能更改其状态。

尽可能使用不可变对象有三个主要原因，所有这些都将有助于减少您在代码中引入的错误数量：

当你知道一个对象的状态不能被另一个方法改变时，你的程序是如何工作的就更容易推理了
不可变对象是自动线程安全的（假设它们是安全发布的），因此永远不会成为那些难以确定的多线程错误的原因
不可变对象将始终具有相同的 Hash 代码，因此它们可以用作 HashMap（或类似）中的键。如果哈希表中某个元素的哈希码发生变化，那么表项实际上会丢失，因为在表中查找它的尝试最终会在错误的位置查找。这是 String 对象不可变的主要原因——它们经常用作 HashMap 键。

当您知道对象的状态是不可变的时，您还可以在代码中进行其他一些优化——例如缓存计算的哈希值——但这些都是优化，因此几乎没有那么有趣。

score 5 · Accepted Answer

一个含义与值如何存储在计算机中有关，例如.Net字符串，这意味着内存中的字符串无法更改，当您认为要更改它时，实际上是在创建一个新的内存中的字符串并将现有变量（它只是指向其他地方的实际字符集合的指针）指向新字符串。

score 5 · Accepted Answer

String s1="Hi";
String s2=s1;
s1="Bye";

System.out.println(s2); //Hi  (if String was mutable output would be: Bye)
System.out.println(s1); //Bye

s1="Hi"：s1创建了一个带有“Hi”值的对象。

s2=s1 :s2参照 s1 对象创建对象。

s1="Bye": 前一个s1对象的值不会改变，因为s1它具有 String 类型并且 String 类型是不可变类型，而是编译器创建一个具有“Bye”值的新 String 对象并s1引用它。在这里，当我们打印s2值时，结果将是“Hi”而不是“Bye”，因为s2引用了s1具有“Hi”值的先前对象。

score 3 · Accepted Answer

不可变意味着一旦对象被创建，它的所有成员都不会改变。String是不可变的，因为您无法更改其内容。例如：

String s1 = "  abc  ";
String s2 = s1.trim();

在上面的代码中，字符串 s1 没有改变，另一个对象 ( s2) 是使用s1.

score 3 · Accepted Answer

不可变只是意味着不可更改或不可修改。一旦创建了字符串对象，它的数据或状态就不能改变

考虑下面的例子，

class Testimmutablestring{  
  public static void main(String args[]){  
    String s="Future";  
    s.concat(" World");//concat() method appends the string at the end  
    System.out.println(s);//will print Future because strings are immutable objects  
  }  
 }

让我们考虑一下下面的图表，

在此图中，您可以看到创建为“未来世界”的新对象。但不能改变“未来”。Because String is immutable. s，仍指“未来”。如果你需要调用“未来世界”，

String s="Future";  
s=s.concat(" World");  
System.out.println(s);//print Future World

为什么字符串对象在java中是不可变的？

因为Java使用了字符串字面量的概念。假设有5个引用变量，都指向一个对象“Future”。如果一个引用变量改变了对象的值，就会影响到所有的引用变量。这就是为什么字符串对象在 java 中是不可变的。

score 2 · Accepted Answer

一经实例化，不可更改。考虑一个类，它的实例可能用作哈希表或类似的键。查看 Java 最佳实践。

score 1 · Accepted Answer

由于接受的答案并不能回答所有问题。11年零6个月后，我不得不给出答案。

有人可以澄清不可变的含义吗？

希望您的意思是不可变对象（因为我们可以考虑不可变引用）。

一个对象是不可变的：如果一旦创建，它们总是代表相同的值（没有任何改变值的方法）。

为什么是String不可变的？

尊重上面的定义，可以通过查看Sting.java源代码来检查。

不可变对象的优点/缺点是什么？不可变类型是：

远离错误更安全。
更容易理解。
并且为改变做好准备。

为什么像 StringBuilder 这样的可变对象比 String 更受欢迎，反之亦然？

缩小问题范围为什么我们在编程中需要可变的 StringBuilder？ 它的一个常见用途是将大量字符串连接在一起，如下所示：

String s = "";
for (int i = 0; i < n; ++i) {
    s = s + n;
}

使用不可变字符串，这会产生很多临时副本——字符串的第一个数字（“0”）实际上在构建最终字符串的过程中被复制了 n 次，第二个数字被复制了 n-1 次，所以在。尽管我们只连接了 n 个元素，但实际上只做所有的复制就需要 O(n2) 时间。

StringBuilder 旨在最大限度地减少这种复制。它使用一个简单但巧妙的内部数据结构来避免进行任何复制，直到最后，当您通过 toString() 调用请求最终 String 时：

StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < n; ++i) {
  sb.append(String.valueOf(n));
}
String s = sb.toString();

获得良好的性能是我们使用可变对象的原因之一。另一个是方便的共享：通过共享一个通用的可变数据结构，您的程序的两个部分可以更方便地进行通信。

更多可以在这里找到：https ://web.mit.edu/6.005/www/fa15/classes/09-immutability/#useful_immutable_types

score 0 · Accepted Answer

不可变对象

如果一个对象在构造后它的状态不能改变，那么它就被认为是不可变的。最大限度地依赖不可变对象被广泛认为是创建简单、可靠代码的合理策略。

不可变对象在并发应用程序中特别有用。由于它们无法更改状态，因此它们不会被线程干扰破坏或观察到不一致的状态。

程序员通常不愿意使用不可变对象，因为他们担心创建新对象而不是就地更新对象的成本。对象创建的影响通常被高估，并且可以被与不可变对象相关的一些效率所抵消。这些包括由于垃圾收集而减少的开销，以及消除保护可变对象免受损坏所需的代码。

以下小节采用实例可变的类，并从中派生具有不可变实例的类。通过这样做，他们给出了这种转换的一般规则，并展示了不可变对象的一些优点。

来源

score -1 · Accepted Answer

不可变对象是在创建后无法修改的对象。一个典型的例子是字符串文字。

越来越流行的AD编程语言通过“invariant”关键字具有“不变性”的概念。查看 Dr.Dobb 的这篇文章 - http://dobbscodetalk.com/index.php?option=com_myblog&show=Invariant-Strings.html&Itemid=29。它完美地解释了这个问题。

java - 不可变是什么意思？

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