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详解Java中的不可变类(Immutable Class)_String与包装类的安全性设计

P粉602998670

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发布时间:2026-02-19 12:41:18

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来源于php中文网

原创

string和integer是不可变类,所有“修改”操作均返回新对象,原对象不变;其字段为final且无写入接口,多线程安全、适合作为hashmap键;自定义不可变类需防可变对象逃逸。

详解java中的不可变类(immutable class)_string与包装类的安全性设计

为什么 String 和 Integer 看似能“修改”,实际却不会改变对象本身

因为它们是不可变类——每次看似修改的操作(比如 substring()toLowerCase()intValue() + 1),都返回一个新对象,原对象内存地址和内容完全没动。

常见错误现象:String s = "hello"; s.concat(" world"); System.out.println(s); // 输出 "hello" —— 忘记赋值给新变量,误以为方法改了原对象。

使用场景:多线程共享字符串或数字配置时,不用加锁;作为 HashMap 的 key 安全可靠(哈希值不会变)。

关键点:

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  • String 内部用 final char[](Java 8)或 final byte[](Java 9+)存储,且不提供任何写入接口
  • 所有“修改”方法(replace()trim()toUpperCase())都 new 一个新 String
  • 包装类如 Integer 的字段是 final int value,构造后无法变更;valueOf() 返回缓存或新实例,但绝不复用可变状态

自己写不可变类时,最容易漏掉的三个防护点

不是加了 final 类修饰符就万事大吉。真正让类不可变,得堵死所有可能的“逃逸路径”。

常见错误现象:外部拿到内部可变对象引用后直接修改,导致“假不可变”。例如自定义类里持有一个 ArrayList,getter 直接返回它,调用方一改就破防。

实操建议:

  • 类声明为 final,防止子类覆盖方法破坏契约
  • 所有字段必须 private final,且不能是可变引用类型(如 ArrayListDate
  • 如果必须持有可变对象(比如 int[]Calendar),getter 要返回防御性拷贝:return Arrays.copyOf(this.data, this.data.length);
  • 构造器里若接收外部传入的可变对象(如 new MyImmutable(list)),也要做深拷贝,不能直接赋值

String 在 Java 9 后的底层变化对不可变性的实际影响

Java 9 把 String 的底层从 char[] 换成 byte[] + coder 字段,是为了节省内存,但**不影响不可变语义**——你依然不能通过任何公开 API 修改它的内容。

性能影响:小写字母为主的字符串(如英文标识符)内存减半;但频繁调用 String.getBytes(StandardCharsets.UTF_8) 可能略慢,因为要按 coder 解码再转码。

兼容性注意点:

  • String.value 是私有字段,反射读取会失败(模块系统限制),别依赖它
  • String.contentEquals()equals() 行为一致,但前者接受任意 CharSequence,别误以为它绕过不可变检查
  • 字符串拼接在编译期优化("a" + "b""ab")仍基于常量池,运行时 StringBuilder 构建的字符串仍是新对象,不污染原串

包装类缓存机制(如 Integer.valueOf())和不可变性的关系

Integer.valueOf(127) 返回的是缓存对象,valueOf(128) 才 new 新实例——但这和“不可变”不冲突,只关乎对象复用。只要没人能改它,复用多少次都安全。

容易踩的坑:

  • == 比较两个 Integer:在 -128 到 127 范围内可能为 true,超出范围就是 false,这不是 bug,是缓存策略导致的副作用
  • new Integer(42) 总是新建对象,绕过缓存,也违背不可变类的最佳实践(应统一用 valueOf
  • Boolean 只有 TRUEFALSE 两个实例,valueOf("true") 必然返回缓存对象,这点比 Integer 更彻底

真正关键的,是别试图通过反射修改 Integer.value 字段——JDK 9+ 的模块系统默认禁止,而且改了之后整个 JVM 里的计算都可能错乱。

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