不变(Immutable)模式

原创
2013/07/02 21:04
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       一个对象的状态在对象被创建后就不再变化,这就是所谓的不变(Immutable)模式。
       一般来说,一个对象要么是可变(Mutable Object)对象,要么是不可(Immutable Object)变对象。一个可变对象的状态可以改变,而一个不变对象的状态不可以改变。不变模式的做法早在面向对象的编程中便得到应用。不变模式缺少改变自身状态的行为,因此它是关于行为的,所以可以把它划归为行为模式。

不变模式的结构和实现
      
不变模式可增强对象的强壮性(robustness)。不变模式允许多个对象共享某一个对象,降低了对该对象进行并发访问(Concurrent Access)时的同步化开销。如果需要修改一个不变对象的状态,那么就需要建立一个新的同类型的对象,并在创建时将这个新的状态存储在新的对象里。
       不变模式只涉及到一个类。一个类的内部状态创建后,在整个生命期间都不会发生变化时,这样的类称作不变类。这种使用不变类的做法叫做不变模式。不变模式有两种类型:一种是弱不变模式;另一种是强不变模式。
弱不变模式
      
一个类的实例的状态是不可变化的;但是这个类的子类的实例具有可能会变化的状态。这样的类符合弱不变模式的定义。要实现弱不变模式,必须满足下面的条件:
     (1)所考虑的对象没有任何方法会修改对象的状态;这样一来,当对象的构造子将对象的状态初始化之后,对象的状态便不在改变。
     (2)所有的属性都应当是私有的。不要声明任何公开的属性,以防客户端对象直接修改任何的内部状态。
     (3)这个对象所引用到的其他对象如果是可变对象的话,必须设法限制外界对这些可变对象的访问,以防止外界修改这些对象。如果可能, 应当尽量在不变对象内部初始化这些被引用到的对象,而不要在客户端初始化,然后再传入到不变对象内部来。如果某个可变对象必须在客户端初始化,然后再传入到不变对象内部的话,就应当考虑在不变对象初始化的时候,将这个可变对象复制一份,而不要使用原来的拷贝。
       弱不变模式的缺点
       第一、一个弱不变对象的子对象可以是可变对象,或者一个弱不变对象的子对象可能是可变的。
       第二、这个可变的子对象可能可以修改父对象的状态,从而可能会允许外界修改父对象的状态;这是一个显著的缺点。

强不变模式
      
一个类的实例的状态不会改变,同时它的子类的实例也具有不可变化的状态。这样的类符合强不变模式。要实现强不变模式,一个类必须满足弱不变模式所要求的所有条件外,还必须满足下面的条件之一:
      第一、所考虑的类的所有方法都必须是final;这样这个类的子类不能够置换掉此类的方法;
      第二、这个类本身就是final的,那么这个类就不可能有子类,从而也就不可能有子类被修改的问题。

“不变”和“只读”的区别
      
“不变(Immutable)”和“只读(Read Only)”是不同的。但一个变量是只读时,变量的值不能直接改变,但是可以在其他变量发生改变的时候发生改变。
       比如一个人的出生年月日是不变的属性,而一个人的年龄便是只读的属性,但年龄不是不变属性,随着时间的变化,一个人的年龄会随之变化,而人的出生年月日则不会变化,这就是不变和只读的区别。

                                                           不变模式在java语言中的应用
       不变模式在java语言中有很重要的作用,最著名的便是java.lang.String类。
String类
      
java中的String类是一个强不变类,在出现如下代码时:
       String tmpType ="type";
       String mType ="type";
       java虚拟机其实只会创建一个这样的字符串的实例,而这两个String对象都共享这一个值。
       如果程序所处理的字符串有频繁的内容变化时,就不宜用String类型,而应当考虑使用StringBuffer类型,如果需要对字符串做大量的循环查询时,也不宜使用Stringe类型,应当考虑使用byte或char数组。     


封装类

     String实际上是一个封装类(Wrapper Class),因为它包装了一个char的数组。在java语言中,java.lang库中还有其他的封装类,如Integer、Float、Double、Byte、Long、Short、Boolean和Character。为什么需要这些封装类?

      一个Long类型的对象所起的作用在于它把一个long原始类型的值包装在一个对象里,有了封装类,就可以把原始数据类型包装起来作为对象处理。这些封装类都是强不变类,因为这些类都是final的,而且对象被创建时,它们的状态就确定了。



                                                不变模式的优点和缺点

     不变模式有很明显的优点:

    
(1)因为不能修改一个不变对象的状态,所以可以避免由此引起的不必要的程序错误;一个不变的对象要比一个可变的对象更加容易维护。

    (2)因为没有任何一个线程能够修改不变对象的内部状态,一个不变对象自动就是线程安全的,这样可以省掉处理同步化的开销。一个不变对象可以自由地被不同的客户端共享。不变模式唯一的缺点就是:一旦需要修改一个不变对象的状态,就只好创建一个新的同类对象。在需要频繁修改不变对象的环境里,会有大量的不变对象作为中间结果被创建出来,再被java中的垃圾回收器收集走,这是一种资源上的浪费。

     在设计一个类的时候,应当慎重考虑其状态是否有需要改变的可能性。除非其状态有变化的必要,不然应当将它设计为不变类。



不变模式与享元模式的关系

     
享元模式以共享的方式支持大量的实例。享元模式中的享元对象可以是不变对象。实际上大多数享元对象是不变对象。

     但是必须指出的是,享元模式并不要求享元对象一定是不变对象。享元模式要求享元对象的状态不随环境的变化而变化,这是使享元对象可以共享的条件,当然如果享元对象成为不变对象的话,也是能满足享元模式要求的。

     享元模式对享元对象的要求是它的内蕴状态与环境无关。这意味着享元对具有某个可变的状态,但是只要不影响享元对象的共享,也是允许的。

     不变模式对不变对象的约束较强,而享元模式对享元对象的约束较弱。只要系统允许,可以使用不变模式实现享元对象,但是享元对象不一定非是不变对象不可。
   

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