一、原理

　　1、不變模式（不可變對(duì)象）

　　在并行軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中,同步操作似乎是必不可少的。當(dāng)多線程對(duì)同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行讀寫操作時(shí),為了保證對(duì)象數(shù)據(jù)的一致性和正確性,有必要對(duì)對(duì)象進(jìn)行同步。而同步操作對(duì)系統(tǒng)性能是相當(dāng)?shù)膿p耗。為了能盡可能的去除這些同步操作，提高并行程序性能,可以使用一種不可改變的對(duì)象，依靠對(duì)象的不變性，可以確保其在沒(méi)有同步操作的多線程環(huán)境中依然始終保持內(nèi)部狀態(tài)的一致性和正確性。這就是不變模式。

　　不變模式天生就是多線程友好的,它的核心思想是,一個(gè)對(duì)象一旦被創(chuàng)建,則它的內(nèi)部狀態(tài)將永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生改變。所以,沒(méi)有一個(gè)線程可以修改其內(nèi)部狀態(tài)和數(shù)據(jù),同時(shí)其內(nèi)部狀態(tài)也絕不會(huì)自行發(fā)生改變?；谶@些特性,對(duì)不變對(duì)象的多線程操作不需要進(jìn)行同步控制。

　　同時(shí)還需要注意,不變模式和只讀屬性是有一定的區(qū)別的,不變模式是比讀屬性具有更強(qiáng)的一致性和不變性。對(duì)只讀屬性的對(duì)象而言,對(duì)象本身不能被其他線程修改,但是對(duì)象身狀態(tài)卻可能自行修改比如,一個(gè)對(duì)象的存活時(shí)間(對(duì)象創(chuàng)建時(shí)間和當(dāng)前時(shí)間的時(shí)間差)是只讀的,因?yàn)槿魏蝹€(gè)第三方線程都不能修改這個(gè)屬性,但是這是一個(gè)可變的屬性,因?yàn)殡S著時(shí)間的推移,存活時(shí)司時(shí)刻都在發(fā)生變化。而不變模式則要求,無(wú)論出于什么原因,對(duì)象自創(chuàng)建后,其內(nèi)部狀態(tài)和數(shù)據(jù)保持絕對(duì)的穩(wěn)定。

　　2、怎么實(shí)現(xiàn)不可變對(duì)象

　　在Java語(yǔ)言中,不變模式的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單。為確保對(duì)象被創(chuàng)建后,不發(fā)生任何改變,并保證不變模式正常工作,只需要注意以下4點(diǎn):

• 去除 setter方法以及所有修改自身屬性的方法。
• 將所有屬性設(shè)置為私有,并用final標(biāo)記,確保其不可修改
• 確保沒(méi)有子類可以重載修改它的行為。
• 有一個(gè)可以創(chuàng)建完整對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)。
  

是不是和final的功能很吻合。我們復(fù)習(xí)一下java中final的作用。

• final修飾類，表示該類不能被繼承，俗稱斷子絕孫類，該類的所有方法自動(dòng)地成為final方法
• final修飾方法，表示子類不可重寫該方法
• final修飾基本數(shù)據(jù)類型變量，表示該變量為常量，值不能再修改
• final修飾引用類型變量，表示該引用在構(gòu)造對(duì)象之后不能指向其他的對(duì)象，但該引用指向的對(duì)象的狀態(tài)可以改變
  

　　這里需要說(shuō)明的是：當(dāng)使用final修飾基本類型變量時(shí)，不能對(duì)基本類型變量重新賦值，因此基本類型變量不能被改變。但對(duì)于引用類型變量而言，它保存的僅僅是一個(gè)引用，final只保證這個(gè)引用變量所引用的地址不會(huì)改變，即一直引用同一個(gè)對(duì)象，但這個(gè)對(duì)象完全可以發(fā)生改變。例如某個(gè)指向數(shù)組的final引用，它必須從此至終指向初始化時(shí)指向的數(shù)組，但是這個(gè)數(shù)組的內(nèi)容完全可以改變。

二、String源碼分析

以下是jdk1.8中String類的部分源碼。　

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence { 
  /** The value is used for character storage. */
 private final char value[]; /** Cache the hash code for the string */
  private int hash; // Default to 0
 
 /** use serialVersionUID from JDK 1.0.2 for interoperability */
 private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L; /**
   ...}

　　首先可以看到，String類使用了final修飾符，表明String類是不可繼承的。然后，我們主要關(guān)注String類的成員變量value,value是char[]類型，因此String對(duì)象實(shí)際上是用這個(gè)字符數(shù)組進(jìn)行封裝的。再看value的修飾符，使用了private，也沒(méi)有提供setter方法，所以在String類的外部不能修改value，同時(shí)value也使用了final進(jìn)行修飾，那么在String類的內(nèi)部也不能修改value，也就是說(shuō)value一旦賦予初始值之后，value指向的地址就不能再改變了。但是上面final修飾引用類型變量的內(nèi)容提到，這只能保證value不能指向其他的對(duì)象，但value指向的對(duì)象的狀態(tài)是可以改變的。通過(guò)查看String類源碼可以發(fā)現(xiàn)，String類不可變，關(guān)鍵是因?yàn)镾UN公司的工程師，在后面所有String的方法里都很小心的沒(méi)有去動(dòng)字符數(shù)組里的元素。所以String類不可變的關(guān)鍵都在底層的實(shí)現(xiàn)，而不僅僅是一個(gè)final。

三、修改String使其“可變”

　　雖然value是final修飾的，只是說(shuō)明value不能再重新指向其他的引用。但是value指向的數(shù)組可以改變，一般情況下我們是沒(méi)有辦法訪問(wèn)到這個(gè)value指向的數(shù)組的元素。But，反射，對(duì)，反射可以，牛逼吧。可以反射出String對(duì)象中的value屬性， 進(jìn)而改變通過(guò)獲得的value引用改變數(shù)組的結(jié)構(gòu)。

public static void main(String[] args) throws Exception {
 String str = "Hello World";
 System.out.println("修改前的str:" + str);
 System.out.println("修改前的str的內(nèi)存地址" + System.identityHashCode(str));
 // 獲取String類中的value字段
 Field valueField = String.class.getDeclaredField("value");
 // 改變value屬性的訪問(wèn)權(quán)限
 valueField.setAccessible(true);
 // 獲取str對(duì)象上value屬性的值
 char[] value = (char[]) valueField.get(str);
 // 改變value所引用的數(shù)組中的字符
 value[3] = '?';
 System.out.println("修改后的str:" + str);
 System.out.println("修改前的str的內(nèi)存地址" + System.identityHashCode(str));
}
// 運(yùn)行結(jié)果
// 可以看到str的字符串序列已經(jīng)被改變了，但是str的內(nèi)存地址還是沒(méi)有改變。
修改前的str:Hello World
修改前的str的內(nèi)存地址1922154895
修改后的str:Hel?o World
修改前的str的內(nèi)存地址1922154895

四、String設(shè)計(jì)成不可變性的原因

　　在Java中，將String設(shè)計(jì)成不可變的是綜合考慮到內(nèi)存、同步、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及安全等各種因素的結(jié)果，下文將為各種因素做一個(gè)小結(jié)。

　　1、運(yùn)行時(shí)常量池的需要

　　比如執(zhí)行 String s = "abc";執(zhí)行上述代碼時(shí)，JVM首先在運(yùn)行時(shí)常量池中查看是否存在String對(duì)象“abc”，如果已存在該對(duì)象，則不用創(chuàng)建新的String對(duì)象“abc”，而是將引用s直接指向運(yùn)行時(shí)常量池中已存在的String對(duì)象“abc”；如果不存在該對(duì)象，則先在運(yùn)行時(shí)常量池中創(chuàng)建一個(gè)新的String對(duì)象“abc”，然后將引用s指向運(yùn)行時(shí)常量池中創(chuàng)建的新String對(duì)象。
這樣在運(yùn)行時(shí)常量池中只會(huì)創(chuàng)建一個(gè)String對(duì)象"abc"，這樣就節(jié)省了內(nèi)存空間。

　　2、同步

　　因?yàn)镾tring對(duì)象是不可變的，所以是多線程安全的，同一個(gè)String實(shí)例可以被多個(gè)線程共享。這樣就不用因?yàn)榫€程安全問(wèn)題而使用同步。

　　3、允許String對(duì)象緩存hashcode

　　查看上文JDK1.8中String類源碼，可以發(fā)現(xiàn)其中有一個(gè)字段hash，String類的不可變性保證了hashcode的唯一性，所以可以用hash字段對(duì)String對(duì)象的hashcode進(jìn)行緩存，就不需要每次重新計(jì)算hashcode。所以Java中String對(duì)象經(jīng)常被用來(lái)作為HashMap等容器的鍵。

　　4、安全性

　　如果String對(duì)象是可變的，那么會(huì)引起很嚴(yán)重的安全問(wèn)題。比如，數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶名、密碼都是以字符串的形式傳入來(lái)獲得數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，或者在socket編程中，主機(jī)名和端口都是以字符串的形式傳入。因?yàn)镾tring對(duì)象是不可變的，所以它的值是不可改變的，否則黑客們可以鉆到空子，改變String引用指向的對(duì)象的值，造成安全漏洞。

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