Java Guava不可變集合ImmutableMap的源碼分析

一、案例場(chǎng)景

遇到過(guò)這樣的場(chǎng)景，在定義一個(gè)static修飾的Map時(shí)，使用了大量的put()方法賦值，就類似這樣——

public static final  Map<String,String> dayMap= new HashMap<>();
static {
    dayMap.put("Monday","今天上英語(yǔ)課");
    dayMap.put("Tuesday","今天上語(yǔ)文課");
    dayMap.put("Wednesday","今天上數(shù)學(xué)課");
    dayMap.put("Thursday","今天上音樂(lè)課");
    dayMap.put("Sunday","今天上編程課");
    ......
}

當(dāng)時(shí)，我就在想，是否可以進(jìn)一步優(yōu)化下，使得代碼看起來(lái)更為優(yōu)雅些，然后，就發(fā)現(xiàn)了Google Guava里的有一個(gè)類ImmutableMap，通過(guò)這個(gè)類可以實(shí)現(xiàn)類似建造者模式的鏈?zhǔn)骄幊?，?yōu)化后的效果，如下：

public static final  Map<String,String> dayMap = ImmutableMap.<String, String>builder()
    .put("Monday","今天上英語(yǔ)課")
    .put("Tuesday","今天上語(yǔ)文課")
    .put("Wednesday","今天上數(shù)學(xué)課")
    .put("Thursday","今天上音樂(lè)課")
    .put("Sunday","今天上編程課")
    .build();

二、ImmutableMap源碼分析

那么，這個(gè)ImmutableMap究竟是如何實(shí)現(xiàn)這樣的功能呢？
在Google Guava官方教程中，Immutable前綴的集合被定義為不可變集合，包括ImmutableSet、 ImmutableMap等，何為不可變集合？就是指，在集合創(chuàng)建后，集合里所有的狀態(tài)在生命周期內(nèi)都不可再修改了，只能讀。

那么，什么是可再修改的呢，像Jdk中的map、list等，創(chuàng)建后，還可以再通過(guò)put()或者add()反復(fù)新增或者修改，這種就是可再修改的集合。既然是不可再修改集合，是不是就一定不能再修改了呢？也不是，其實(shí)，通過(guò)反射還是可以被修改的，但這已經(jīng)不是不可變集合之所以存在的初衷了。

總結(jié)一句話是，不可變集合是線程安全的且可當(dāng)成常量使用的。

接下來(lái)，就進(jìn)入到ImmutableMap內(nèi)部，可以看到，其實(shí)現(xiàn)了Map接口，跟HashMap有點(diǎn)類似地方在于，Map接口都算是他們的基類，都可以實(shí)現(xiàn)父類引用指向子類對(duì)象，即向上轉(zhuǎn)型。

public abstract class ImmutableMap<K, V> implements Map<K, V>, Serializable {}

這是一個(gè)抽象類，若要實(shí)現(xiàn)這樣調(diào)用 ImmutableMap.<String, String>builder()，表面上就可以猜測(cè)到<String, String>builder()一定是被static定義的靜態(tài)方法，進(jìn)到源碼里，發(fā)現(xiàn)確實(shí)如此——

/**
 * Returns a new builder. The generated builder is equivalent to the builder
 * created by the {@link Builder} constructor.
 */
public static <K, V> Builder<K, V> builder() {
  return new Builder<K, V>();
}

這個(gè)方法的定義對(duì)于一些初級(jí)程序員而言，可能會(huì)覺(jué)得很奇怪，其實(shí)這個(gè)方法格式的本質(zhì)是這樣的 ——

public <T> T method(T t)

這是一種泛型的約定規(guī)范，第一個(gè)定義一種泛型，表示當(dāng)前方法有一個(gè)范型變量類型，用T表示；第二個(gè)T是表示method的返回類型為T(mén)。

回過(guò)頭來(lái)看這個(gè)builder()方法，就很好理解了，<K, V>是定義一種泛型，表示當(dāng)前方法的泛型變量，Builder<K, V>表示返回一個(gè)泛型變量為<K, V>的對(duì)象。

前面定義 ImmutableMap.<String, String>builder()，在這個(gè)builder()方法里，就會(huì)返回一個(gè)new Builder<String, String>()的對(duì)象，這個(gè)對(duì)象通過(guò)構(gòu)造器，初始化了一個(gè)大小為ImmutableCollection.Builder.DEFAULT_INITIAL_CAPACITY的數(shù)組entries，而這個(gè)DEFAULT_INITIAL_CAPACITY的默認(rèn)值是4。

public static class Builder<K, V> {
    Comparator<? super V> valueComparator;
    ImmutableMapEntry<K, V>[] entries;
    int size;
    boolean entriesUsed;
    
   public Builder() {
      this(ImmutableCollection.Builder.DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }

 
    Builder(int initialCapacity) {
      this.entries = new ImmutableMapEntry[initialCapacity];
      this.size = 0;
      this.entriesUsed = false;
    }
    ......
}

那么問(wèn)題來(lái)了，這個(gè) ImmutableMapEntry<K, V>[] 是什么類型的數(shù)組呢？

這個(gè)ImmutableMapEntry<K, V>類 ，是繼承一個(gè)ImmutableEntry<K, V>類 ——

class ImmutableMapEntry<K, V> extends ImmutableEntry<K, V> {

  static <K, V> ImmutableMapEntry<K, V>[] createEntryArray(int size) {
    return new ImmutableMapEntry[size];
  }

  ImmutableMapEntry(K key, V value) {
    super(key, value);
    checkEntryNotNull(key, value);
  }
}

注意一點(diǎn)， checkEntryNotNull(key, value)做了一個(gè)校驗(yàn)，這就意味著，存入的key和value值都不能為空。

static void checkEntryNotNull(Object key, Object value) {
  if (key == null) {
    throw new NullPointerException("null key in entry: null=" + value);
  } else if (value == null) {
    throw new NullPointerException("null value in entry: " + key + "=null");
  }
}

在父類ImmutableEntry<K, V>類里，定義了key和value兩個(gè)泛型變量，可見(jiàn)，當(dāng)外部調(diào)用builder().put(key，value)來(lái)存儲(chǔ)key-value數(shù)據(jù)時(shí)，其實(shí)是將key-value數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到ImmutableEntry對(duì)象的key與value里。

class ImmutableEntry<K, V> extends AbstractMapEntry<K, V> implements Serializable {
  final K key;
  final V value;
  ......
}

提到ImmutableEntry<K, V>數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)key-value數(shù)據(jù)，就不得不提一下HashMap。

在JDK1.8當(dāng)中，HashMap是由數(shù)組+鏈表+紅黑樹(shù)組成，它內(nèi)部的數(shù)組是由Node<K,V>[]定義，而這個(gè) Node<K,V> 實(shí)現(xiàn)的是Map.Entry<K,V>——

ImmutableMapEntry<K, V>頂部同樣是實(shí)現(xiàn)了Entry<K,V>——

可見(jiàn)，ImmutableMap與HashMap一樣，其存儲(chǔ)key-value的對(duì)象所屬的類，都直接或者間接地實(shí)現(xiàn)了Entry<K,V>接口。

分析到這里，再看回Builder<K, V>類源碼，就很容易明白 ，這個(gè)ImmutableMapEntry<K, V>[] entries與HashMap的數(shù)組類似，都是用來(lái)存儲(chǔ)key-value的數(shù)據(jù)。

接下來(lái)，就是分析put的邏輯原理了。

前面分析到的Builder類，其實(shí)是屬于抽象類 ImmutableMap<K, V>中的內(nèi)部靜態(tài)類，這就意味著，執(zhí)行ImmutableMap.<String, String>builder().put("Monday","今天上英語(yǔ)課")的本質(zhì)，其實(shí)是相當(dāng)于執(zhí)行了ImmutableMap.new Builder<K, V>().put("Monday","今天上英語(yǔ)課")。

put方法的源碼如下：

public Builder<K, V> put(K key, V value) {
  ensureCapacity(size + 1); 
  ImmutableMapEntry<K, V> entry = entryOf(key, value);
  // don't inline this: we want to fail atomically if key or value is null
  entries[size++] = entry;
  return this;
}

1、先看第一行代碼調(diào)用的方法，其作用是判斷當(dāng)新增一個(gè)key-value對(duì)象存到數(shù)組時(shí)，是否會(huì)有溢出的可能，若出現(xiàn)溢出的情況，就先對(duì)數(shù)組進(jìn)行擴(kuò)容。

private void ensureCapacity(int minCapacity) {
  if (minCapacity > entries.length) {
    entries =
        Arrays.copyOf(
            entries, ImmutableCollection.Builder.expandedCapacity(entries.length, minCapacity));
    entriesUsed = false;
  }
}

2、第二行ImmutableMapEntry<K, V> entry = entryOf(key, value)就是創(chuàng)建一個(gè)新的ImmutableMapEntry對(duì)象，通過(guò)構(gòu)造器初始化賦值給對(duì)象的key與value——

static <K, V> ImmutableMapEntry<K, V> entryOf(K key, V value) {
    return new ImmutableMapEntry<K, V>(key, value);
  }

3、第三行代碼 entries[size++] = entry是將新增的ImmutableMapEntry對(duì)象存儲(chǔ)到數(shù)組空閑的位置上，這樣通過(guò)put(key，value)緩存進(jìn)來(lái)的key-value值，就通過(guò)對(duì)象的形式存入到了數(shù)組當(dāng)中。

4、最后一行，是返回一個(gè)this，ImmutableMap能實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)骄幊痰脑颍褪窃谶@個(gè)this上。

• 當(dāng)理解了這個(gè)this，就會(huì)理解ImmutableMap設(shè)計(jì)的精妙之處。
• 當(dāng)我們使用鏈?zhǔn)骄幊蘄mmutableMap.<String, String>builder().put("key1","value1").put("key2","value2") .put("key2","value3")來(lái)賦值時(shí)，其內(nèi)部就是反復(fù)調(diào)用了內(nèi)部靜態(tài)類Builder當(dāng)中的put()方法，那么問(wèn)題來(lái)了，為什么能反復(fù)調(diào)用呢？
• 答案就是這個(gè)返回的this，其返回的還是Builder對(duì)象本身啊，Builderd對(duì)象當(dāng)然可以繼續(xù)調(diào)用其put方法了。在這個(gè)反復(fù)調(diào)用的過(guò)程中， 只有entries[size++] 是一直在新增變化的。
• 這其實(shí)是建造者設(shè)計(jì)模式的一種體現(xiàn)，只不過(guò)平常遇到的建造者設(shè)計(jì)模式，大多都是將對(duì)象的各個(gè)屬性靈活進(jìn)行拼裝，組成一個(gè)定制化的對(duì)象，而這里，則是靈活去定制化一個(gè)數(shù)組存儲(chǔ)情況。

最后就是，就是執(zhí)行.build()方法了——

ImmutableMap.<String, String>builder()
    .put("Monday","今天上英語(yǔ)課")
    ......
    .build();

這個(gè)build()源碼里寫(xiě)的很復(fù)雜，這里直接簡(jiǎn)單優(yōu)化了下，大概意思，就是將entries數(shù)組包裝成一個(gè)實(shí)現(xiàn)Map接口的子對(duì)象進(jìn)行返回。

public ImmutableMap<K, V> build() {
  switch (size) {
    case 0:
      return of();
    case 1:
      return  new SingletonImmutableBiMap<K, V>(k1, v1);
    default:
      return  new RegularImmutableMap<K, V>(entries, table, mask);
  }
}

當(dāng)數(shù)組長(zhǎng)度超過(guò)1時(shí)，其可以返回SingletonImmutableBiMap或者RegularImmutableMap，兩者都是間接實(shí)現(xiàn)了Map接口，對(duì)比一下各自的類定義——

final class SingletonImmutableBiMap<K, V> extends ImmutableBiMap<K, V> {
  final transient K singleKey;
  final transient V singleValue;
  ......
}
final class RegularImmutableMap<K, V> extends ImmutableMap<K, V> {
  // entries in insertion order
  private final transient Entry<K, V>[] entries;
  // array of linked lists of entries
  private final transient ImmutableMapEntry<K, V>[] table;
  // 'and' with an int to get a table index
  private final transient int mask;
  ......
}

發(fā)現(xiàn)，都有一個(gè)共同特點(diǎn)，類與類中的屬性，都是以final修飾符來(lái)定義的，這就意味著，一旦調(diào)用build()方法創(chuàng)建初始化后，就不可以再改變了。

這就是ImmutableMap集合不可變的真正原因所在。

最后，還有一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)通過(guò)ImmutableMap創(chuàng)建完成一個(gè)Map對(duì)象后，再試圖通過(guò)put來(lái)插入數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況呢？

這時(shí)，再通過(guò)put方法調(diào)用時(shí)，例如，以上邊定義的dayMap為例，在某個(gè)方法里，再試圖通過(guò)dayMap..put("Monday","今天上英語(yǔ)課") 來(lái)修改或者新增map數(shù)據(jù)時(shí)，這里調(diào)用的put就已經(jīng)不是內(nèi)部類Builder<K, V>()里的put方法了，而是ImmutableMap本身的put方法，這個(gè)方法的源碼如下——

/**
 * Guaranteed to throw an exception and leave the map unmodified.
 *
 * @throws UnsupportedOperationException always
 * @deprecated Unsupported operation.
 */
@CanIgnoreReturnValue
@Deprecated
@Override
public final V put(K k, V v) {
  throw new UnsupportedOperationException();
}

其注釋表示，map unmodified，即無(wú)法再被修改，若仍調(diào)用put執(zhí)行，只會(huì)喜提一個(gè)異常 UnsupportedOperationException。

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