# 12.4 只读类 尽管在一些特定的场合，由`clone()`产生的本地副本能够获得我们希望的结果，但程序员（方法的作者）不得不亲自禁止别名处理的副作用。假如想制作一个库，令其具有常规用途，但却不能担保它肯定能在正确的类中得以克隆，这时又该怎么办呢？更有可能的一种情况是，假如我们想让别名发挥积极的作用——禁止不必要的对象复制——但却不希望看到由此造成的副作用，那么又该如何处理呢？ 一个办法是创建“不变对象”，令其从属于只读类。可定义一个特殊的类，使其中没有任何方法能造成对象内部状态的改变。在这样的一个类中，别名处理是没有问题的。因为我们只能读取内部状态，所以当多处代码都读取相同的对象时，不会出现任何副作用。 作为“不变对象”一个简单例子，Java的标准库包含了“包装器”（wrapper）类，可用于所有基本数据类型。大家可能已发现了这一点，如果想在一个象`Vector`（只采用`Object`引用）这样的集合里保存一个`int`数值，可以将这个`int`封装到标准库的`Integer`类内部。如下所示： ``` //: ImmutableInteger.java // The Integer class cannot be changed import java.util.*; public class ImmutableInteger { public static void main(String[] args) { Vector v = new Vector(); for(int i = 0; i < 10; i++) v.addElement(new Integer(i)); // But how do you change the int // inside the Integer? } } ///:~ ``` `Integer`类（以及基本的“包装器”类）用简单的形式实现了“不变性”：它们没有提供可以修改对象的方法。 若确实需要一个容纳了基本数据类型的对象，并想对基本数据类型进行修改，就必须亲自创建它们。幸运的是，操作非常简单： ``` //: MutableInteger.java // A changeable wrapper class import java.util.*; class IntValue { int n; IntValue(int x) { n = x; } public String toString() { return Integer.toString(n); } } public class MutableInteger { public static void main(String[] args) { Vector v = new Vector(); for(int i = 0; i < 10; i++) v.addElement(new IntValue(i)); System.out.println(v); for(int i = 0; i < v.size(); i++) ((IntValue)v.elementAt(i)).n++; System.out.println(v); } } ///:~ ``` 注意`n`在这里简化了我们的编码。 若默认的初始化为零已经足够（便不需要构造器），而且不用考虑把它打印出来（便不需要`toString`），那么`IntValue`甚至还能更加简单。如下所示： ``` class IntValue { int n; } ``` 将元素取出来，再对其进行转换，这多少显得有些笨拙，但那是`Vector`的问题，不是`IntValue`的错。 ## 12.4.1 创建只读类 完全可以创建自己的只读类，下面是个简单的例子： ``` //: Immutable1.java // Objects that cannot be modified // are immune to aliasing. public class Immutable1 { private int data; public Immutable1(int initVal) { data = initVal; } public int read() { return data; } public boolean nonzero() { return data != 0; } public Immutable1 quadruple() { return new Immutable1(data * 4); } static void f(Immutable1 i1) { Immutable1 quad = i1.quadruple(); System.out.println("i1 = " + i1.read()); System.out.println("quad = " + quad.read()); } public static void main(String[] args) { Immutable1 x = new Immutable1(47); System.out.println("x = " + x.read()); f(x); System.out.println("x = " + x.read()); } } ///:~ ``` 所有数据都设为`private`，可以看到没有任何`public`方法对数据作出修改。事实上，确实需要修改一个对象的方法是`quadruple()`，但它的作用是新建一个`Immutable1`对象，初始对象则是原封未动的。 方法`f()`需要取得一个`Immutable1`对象，并对其采取不同的操作，而`main()`的输出显示出没有对x作任何修改。因此，`x`对象可别名处理许多次，不会造成任何伤害，因为根据`Immutable1`类的设计，它能保证对象不被改动。 ## 12.4.2 “一成不变”的弊端 从表面看，不变类的建立似乎是一个好方案。但是，一旦真的需要那种新类型的一个修改的对象，就必须辛苦地进行新对象的创建工作，同时还有可能涉及更频繁的垃圾收集。对有些类来说，这个问题并不是很大。但对其他类来说（比如`String`类），这一方案的代价显得太高了。 为解决这个问题，我们可以创建一个“同志”类，并使其能够修改。以后只要涉及大量的修改工作，就可换为使用能修改的同志类。完事以后，再切换回不可变的类。 因此，上例可改成下面这个样子： ``` //: Immutable2.java // A companion class for making changes // to immutable objects. class Mutable { private int data; public Mutable(int initVal) { data = initVal; } public Mutable add(int x) { data += x; return this; } public Mutable multiply(int x) { data *= x; return this; } public Immutable2 makeImmutable2() { return new Immutable2(data); } } public class Immutable2 { private int data; public Immutable2(int initVal) { data = initVal; } public int read() { return data; } public boolean nonzero() { return data != 0; } public Immutable2 add(int x) { return new Immutable2(data + x); } public Immutable2 multiply(int x) { return new Immutable2(data * x); } public Mutable makeMutable() { return new Mutable(data); } public static Immutable2 modify1(Immutable2 y){ Immutable2 val = y.add(12); val = val.multiply(3); val = val.add(11); val = val.multiply(2); return val; } // This produces the same result: public static Immutable2 modify2(Immutable2 y){ Mutable m = y.makeMutable(); m.add(12).multiply(3).add(11).multiply(2); return m.makeImmutable2(); } public static void main(String[] args) { Immutable2 i2 = new Immutable2(47); Immutable2 r1 = modify1(i2); Immutable2 r2 = modify2(i2); System.out.println("i2 = " + i2.read()); System.out.println("r1 = " + r1.read()); System.out.println("r2 = " + r2.read()); } } ///:~ ``` 和往常一样，`Immutable2`包含的方法保留了对象不可变的特征，只要涉及修改，就创建新的对象。完成这些操作的是`add()`和`multiply()`方法。同志类叫作`Mutable`，它也含有`add()`和`multiply()`方法。但这些方法能够修改`Mutable`对象，而不是新建一个。除此以外，`Mutable`的一个方法可用它的数据产生一个`Immutable2`对象，反之亦然。 两个静态方法`modify1()`和`modify2()`揭示出获得同样结果的两种不同方法。在`modify1()`中，所有工作都是在`Immutable2`类中完成的，我们可看到在进程中创建了四个新的`Immutable2`对象（而且每次重新分配了`val`，前一个对象就成为垃圾）。 在方法`modify2()`中，可看到它的第一个行动是获取`Immutable2 y`，然后从中生成一个`Mutable`（类似于前面对`clone()`的调用，但这一次创建了一个不同类型的对象）。随后，用`Mutable`对象进行大量修改操作，同时用不着新建许多对象。最后，它切换回`Immutable2`。在这里，我们只创建了两个新对象（`Mutable`和`Immutable2`的结果），而不是四个。 这一方法特别适合在下述场合应用： (1) 需要不可变的对象，而且 (2) 经常需要进行大量修改，或者 (3) 创建新的不变对象代价太高 ## 12.4.3 不变字符串 请观察下述代码： ``` //: Stringer.java public class Stringer { static String upcase(String s) { return s.toUpperCase(); } public static void main(String[] args) { String q = new String("howdy"); System.out.println(q); // howdy String qq = upcase(q); System.out.println(qq); // HOWDY System.out.println(q); // howdy } } ///:~ ``` `q`传递进入`upcase()`时，它实际是`q`的引用的一个副本。该引用连接的对象实际只在一个统一的物理位置处。引用四处传递的时候，它的引用会得到复制。 若观察对`upcase()`的定义，会发现传递进入的引用有一个名字`s`，而且该名字只有在`upcase()`执行期间才会存在。`upcase()`完成后，本地引用`s`便会消失，而`upcase()`返回结果——还是原来那个字符串，只是所有字符都变成了大写。当然，它返回的实际是结果的一个引用。但它返回的引用最终是为一个新对象的，同时原来的q并未发生变化。所有这些是如何发生的呢？ (1) 隐式常数 若使用下述语句： ``` String s = "asdf"; String x = Stringer.upcase(s); ``` 那么真的希望`upcase()`方法改变参数或者参数吗？我们通常是不愿意的，因为作为提供给方法的一种信息，参数一般是拿给代码的读者看的，而不是让他们修改。这是一个相当重要的保证，因为它使代码更易编写和理解。 为了在C++中实现这一保证，需要一个特殊关键字的帮助：`const`。利用这个关键字，程序员可以保证一个引用（C++叫“指针”或者“引用”）不会被用来修改原始的对象。但这样一来，C++程序员需要用心记住在所有地方都使用`const`。这显然易使人混淆，也不容易记住。 (2) 重载`+`和`StringBuffer` 利用前面提到的技术，`String`类的对象被设计成“不可变”。若查阅联机文档中关于`String`类的内容（本章稍后还要总结它），就会发现类中能够修改`String`的每个方法实际都创建和返回了一个崭新的`String`对象，新对象里包含了修改过的信息——原来的`String`是原封未动的。因此，Java里没有与C++的`const`对应的特性可用来让编译器支持对象的不可变能力。若想获得这一能力，可以自行设置，就象`String`那样。 由于`String`对象是不可变的，所以能够根据情况对一个特定的`String`进行多次别名处理。因为它是只读的，所以一个引用不可能会改变一些会影响其他引用的东西。因此，只读对象可以很好地解决别名问题。 通过修改产生对象的一个崭新版本，似乎可以解决修改对象时的所有问题，就象`String`那样。但对某些操作来讲，这种方法的效率并不高。一个典型的例子便是为`String`对象重载的运算符`+`。“重载”意味着在与一个特定的类使用时，它的含义已发生了变化（用于`String`的`+`和`+=`是Java中能被重载的唯一运算符，Java不允许程序员重载其他任何运算符——注释④）。 ④：C++允许程序员随意重载运算符。由于这通常是一个复杂的过程（参见《Thinking in C++》，Prentice-Hall于1995年出版），所以Java的设计者认定它是一种“糟糕”的特性，决定不在Java中采用。但具有讽剌意味的是，运算符的重载在Java中要比在C++中容易得多。 针对`String`对象使用时，`+`允许我们将不同的字符串连接起来： ``` String s = "abc" + foo + "def" + Integer.toString(47); ``` 可以想象出它“可能”是如何工作的：字符串`"abc"`可以有一个方法`append()`，它新建了一个字符串，其中包含`"abc"`以及`foo`的内容；这个新字符串然后再创建另一个新字符串，在其中添加"`def"`；以此类推。 这一设想是行得通的，但它要求创建大量字符串对象。尽管最终的目的只是获得包含了所有内容的一个新字符串，但中间却要用到大量字符串对象，而且要不断地进行垃圾收集。我怀疑Java的设计者是否先试过种方法（这是软件开发的一个教训——除非自己试试代码，并让某些东西运行起来，否则不可能真正了解系统）。我还怀疑他们是否早就发现这样做获得的性能是不能接受的。 解决的方法是象前面介绍的那样制作一个可变的同志类。对字符串来说，这个同志类叫作`StringBuffer`，编译器可以自动创建一个`StringBuffer`，以便计算特定的表达式，特别是面向`String`对象应用重载过的运算符`+`和`+=`时。下面这个例子可以解决这个问题： ``` //: ImmutableStrings.java // Demonstrating StringBuffer public class ImmutableStrings { public static void main(String[] args) { String foo = "foo"; String s = "abc" + foo + "def" + Integer.toString(47); System.out.println(s); // The "equivalent" using StringBuffer: StringBuffer sb = new StringBuffer("abc"); // Creates String! sb.append(foo); sb.append("def"); // Creates String! sb.append(Integer.toString(47)); System.out.println(sb); } } ///:~ ``` 创建字符串`s`时，编译器做的工作大致等价于后面使用`sb`的代码——创建一个`StringBuffer`，并用`append()`将新字符直接加入`StringBuffer`对象（而不是每次都产生新对象）。尽管这样做更有效，但不值得每次都创建象`"abc"`和`"def"`这样的引号字符串，编译器会把它们都转换成`String`对象。所以尽管`StringBuffer`提供了更高的效率，但会产生比我们希望的多得多的对象。 ## 12.4.4 `String`和`StringBuffer`类 这里总结一下同时适用于`String`和`StringBuffer`的方法，以便对它们相互间的沟通方式有一个印象。这些表格并未把每个单独的方法都包括进去，而是包含了与本次讨论有重要关系的方法。那些已被重载的方法用单独一行总结。 首先总结`String`类的各种方法： | 方法 | 参数，重载 | 用途 | | --- | --- | --- | | 构造器 | 已被重载 默认，`String`，`StringBuffer`，`char`数组，`byte`数组 | 创建`String`对象 | | `length()` | 无 | `String`中的字符数量 | | `charAt()` | `int Index` | 位于`String`内某个位置的`char` | | `getChars()`，`getBytes` | 开始复制的起点和终点，要向其中复制内容的数组，对目标数组的一个索引 | 将`char`或`byte`复制到外部数组内部 | | `toCharArray()` | 无 | 产生一个`char[]`，其中包含了`String`内部的字符 | | `equals()`，`equalsIgnoreCase()` | 用于对比的一个String | 对两个字符串的内容进行等价性检查 | | `compareTo()` | 用于对比的一个`String` | 结果为负、零或正，具体取决于`String`和参数的字典顺序。注意大写和小写不是相等的！ | | `regionMatches()` | 这个`String`以及其他`String`的位置偏移，以及要比较的区域长度。重载加入了“忽略大小写”的特性 | 一个布尔结果，指出要对比的区域是否相同 | | `startsWith()` | 可能以它开头的`String`。重载在参数里加入了偏移 | 一个布尔结果，指出`String`是否以那个参数开头 | | `endsWith()` | 可能是这个`String`后缀的一个`String` | 一个布尔结果，指出参数是不是一个后缀 | | `indexOf()`,`lastIndexOf()` | 已重载：`char`，`char`和起始索引，`String`，`String`和起始索引 | | 若参数未在这个`String`里找到，则返回-1；否则返回参数开始处的位置索引。`lastIndexOf()`可从终点开始回溯搜索 | | `substring()` | 已重载：起始索引，起始索引和结束索引 | 返回一个新的`String`对象，其中包含了指定的字符子集 | | `concat()` | 想连结的`String` | 返回一个新`String`对象，其中包含了原始`String`的字符，并在后面加上由参数提供的字符 | | `relpace()` | 要查找的老字符，要用它替换的新字符 | 返回一个新`String`对象，其中已完成了替换工作。若没有找到相符的搜索项，就沿用老字符串 | | `toLowerCase()`,`toUpperCase()` | 无 | 返回一个新`String`对象，其中所有字符的大小写形式都进行了统一。若不必修改，则沿用老字符串 | | `trim()` | 无 | 返回一个新的`String`对象，头尾空白均已删除。若毋需改动，则沿用老字符串 | | `valueOf()` | 已重载：`object`，`char[]`，`char[]`和偏移以及计数，`boolean`，`char`，`int`，`long`，`float`，`double ` |返回一个`String`，其中包含参数的一个字符表现形式 | | `Intern()` | 无 | 为每个独一无二的字符顺序都产生一个（而且只有一个）`String`引用 | 可以看到，一旦有必要改变原来的内容，每个`String`方法都小心地返回了一个新的`String`对象。另外要注意的一个问题是，若内容不需要改变，则方法只返回指向原来那个`String`的一个引用。这样做可以节省存储空间和系统开销。 下面列出有关`StringBuffer`（字符串缓冲）类的方法： | 方法 | 参数，重载 | 用途 | | --- | --- | --- | | 构造器 | 已重载：默认，要创建的缓冲区长度，要根据它创建的`String` | 新建一个`StringBuffer`对象 | | `toString()` | 无 | 根据这个`StringBuffer`创建一个`String` | | `length()` | 无 | `StringBuffer`中的字符数量 | | `capacity()` | 无 | 返回目前分配的空间大小 | | `ensureCapacity()` | 用于表示希望容量的一个整数 | 使`StringBuffer`容纳至少希望的空间大小 | | `setLength()` | 用于指示缓冲区内字符串新长度的一个整数 | 缩短或扩充前一个字符串。如果是扩充，则用`null`值填充空隙 | | `charAt()` | 表示目标元素所在位置的一个整数 | 返回位于缓冲区指定位置处的`char` | | `setCharAt()` | 代表目标元素位置的一个整数以及元素的一个新`char`值 | 修改指定位置处的值 | | `getChars()` | 复制的起点和终点，要在其中复制的数组以及目标数组的一个索引 | 将`char`复制到一个外部数组。和`String`不同，这里没有`getBytes()`可供使用 | | `append()` | 已重载：`Object`，`String`，`char[]`，特定偏移和长度的`char[]`，`boolean`，`char`，`int`，`long`，`float`，`double` | 将参数转换成一个字符串，并将其追加到当前缓冲区的末尾。若有必要，同时增大缓冲区的长度 | | `insert()` | 已重载，第一个参数代表开始插入的位置：`Object`，`String`，`char[]`，`boolean`，`char`，`int`，`long`，`float`，`double` | 第二个参数转换成一个字符串，并插入当前缓冲区。插入位置在偏移区域的起点处。若有必要，同时会增大缓冲区的长度 | | `reverse()` | 无 | 反转缓冲内的字符顺序 | 最常用的一个方法是`append()`。在计算包含了`+`和`+=`运算符的`String`表达式时，编译器便会用到这个方法。`insert()`方法采用类似的形式。这两个方法都能对缓冲区进行重要的操作，不需要另建新对象。 ## 12.4.5 字符串的特殊性 现在，大家已知道`String`类并非仅仅是Java提供的另一个类。`String`里含有大量特殊的类。通过编译器和特殊的重载或重载运算符`+`和`+=`，可将引号字符串转换成一个`String`。在本章中，大家已见识了剩下的一种特殊情况：用同志`StringBuffer`精心构造的“不可变”能力，以及编译器中出现的一些有趣现象。