设计模式之不变模式(Immutable Pattern)分析

最近老有人问我不变模式，我其实也理解得不深，于是花了一些时间进行学习总结，分析了一下不变模式(immutable pattern)，和大家一起分享。说得不对的地方欢迎拍砖，谢绝谩骂。姐妹篇：精通有状态vs无状态(Stateful vs Stateless).http://www./topic/960532
不变模式（immutable pattern）

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，就是不变类。这种使用不变类的做法叫做不变模式。

不变模式有两种形式：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，但是这个类的引用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，一个类必须满足如下条件：

    第一，对象没有任何方法会修改对象的状态，当对象的构造函数对对象的状态初始化之后，对象的状态便不再改变。

    第二，所有的属性都应当是私有的，以防客户端对象直接修改任何的内部状态。 

    第三、这个对象所引用到的其它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里的话，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，而不再使用原来的拷贝。   

弱不变模式的缺点是：
第一、一个弱不变对象的自对象可以是可变对象；换言之，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。

代码演示：

/**
 * @author Peter Wei
 *
 */
public class User {

    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

}

/**
 * 弱不变模式
 *
 * @author Peter Wei
 *
 */
public class WeakImmutable {

    // 属性私有，满足条件2
    private int state;
    // 属性私有，满足条件2
    private User user;

    private Integer age;

    public WeakImmutable(int state, User user, Integer age) {
        this.state = state;
        this.user = user;
        this.age = age;
    }

    public int getState() {
        return this.state;
    }

    public User getUser() {
        return this.user;
    }

    public Integer getAge() {
        return this.age;
    }

    public void setState() {
        // 对象没有任何方法修改对象的状态,满足条件1
        // do nothing.
    }

    public static void main(String[] args) {
        int state = 0;
        User u = new User();
        Integer age = 100;
        u.setName("yes");
        WeakImmutable weak = new WeakImmutable(state, u, age);
        System.out.println("原始值：" + weak.getState() + ","
                + weak.getUser().getName() + "," + weak.getAge());
        // 修改引用后
        state = 5;
        // User由于是可变对象引用，所以有影响
        u.setName("no");
        age = 200;
        System.out.println("修改引用后：" + weak.getState() + ","
                + weak.getUser().getName() + "," + weak.getAge());
    }
}

结果：可以看到user的名字会改变。
原始值：0,yes,100
修改引用后：0,no,100

我们再引伸一个不可变类的例子:
在时间截止时，我们需要一一检查队列成员是不是vip,如果是可以去USA.假设是多线程环境,并且users数组是多线程共享,那么另外的线程通过users去修改users[n],这时就会把users[n]绕过时间检查而去USA.

/**
 * 不变模式之clone
 *
 * @author Peter Wei
 *
 */
public class WeakImmutableClone {

    public static void main(String[] args) {

        User[] users = new User[3];
        users[0] = new User();
        users[0].setName("peterwei");
        users[1] = new User();
        users[1].setName("Tomssssss");
        users[2] = new User();
        users[2].setName("peterwei88");

        time4Check();
        /*
         * 时间到，我们需要一一检查队列成员是不是vip,如果是可以去USA.假设是多线程环境,并且users数组是多线程共享,
         * 那么另外的线程通过users去修改users[n],这时就会把users[n]绕过时间检查而去USA.
         */
        goUSA(users);

    }

    public static void goUSA(User[] users) {

        // User[] tmp = new User[users.length];
        // System.arraycopy(users, 0, tmp, 0, users.length);

        for (User u : users) {
            if (checkVip(u)) {
                System.out.println("You can go!");
            } else {
                System.out.println("go away!");
            }

        }
    }

    public static boolean checkVip(User user) {
        if (user.getName().startsWith("peterwei")) {
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static void time4Check() {
        // 假设时间期限到，要检查上万人以上的队列。
    }
}

解决方法：
在事务处理及数据大批量入库的多线程环境中，应该也会有类似的问题。所以对于这样的传入参数及上例中的不变对象引用可变对象,我们可以将其在相关构造函数及方法中复制为本地变量(数组),及使用它的深度clone,阻止相关数据与外部线程的联系。

public static void goUSA(User[] users) {

    User[] tmp = new User[users.length];
    System.arraycopy(users, 0, tmp, 0, users.length);

    for (User u : tmp) {
        if (checkVip(u)) {
            System.out.println("You can go!");
        } else {
            System.out.println("go away!");
        }

    }
}

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，一个类必须首先满足弱不变模式所要求的所有条件，并且还要满足下面条件之一：
    第一，所考虑的类所有的方法都应当是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会有子类，从而也就不可能有被子类修改的问题。

不变模式在Java中的应用
如String类

String a = "123" ;
String a1 = "123" ;
String a2 = "123" ;
String a3 = "1234" ;

java虚拟机只会创建一个字符串实例，a,a1,a2对象共享一个值。遇到不同的字符串，java虚拟机会再创建一个String对象，如a3。如果程序所处理的字串有频繁的内容变化，就不宜使用String类型，而应当使用StringBuffer类型，如果需要对字串做大量的循环查询，也不宜使用String类型，应当考虑使用byte或char数组.

其它不变类：
The Integer,String, Float, Double, Byte, Long, Short, Boolean, and Character classes are all examples of an immutable class. By definition, you may not alter the value of an immutable object after its construction.In Java, a class such as Integer acts as a simple wrapper around its primitive counterpart -- in this case, int. The wrappers found in java.lang allow us to treat the primitives as if they were objects. So, for example, you could not put an int into a Vector without wrapping it。

优缺点：
不变模式可增强对象的健壮性。不变模式允许多个对象共享某一对象，降低了对该对象进行并发访问时的同步化开销。唯一缺点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的垃圾收集器收走，这是一种资源的浪费。
二、不变模式的优缺点
不变模式有很明显的有点：
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；换言之，一个不变模式的对象要比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，这样就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。在需要濒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语言的垃圾回收器收集走。这是一种资源上的浪费。

总结：
不变模式的核心就是对象不变，从而引伸出对象复用共享的思想。如无状态的单例模式，享元(Flyweight)模式及原型模式(Prototype)都可以认为是不变模式的应用。其它如线程池，缓存等的实现也一定程度上是使用不变模式。还有EJB的Stateless Session Bean(无状态会话bean),Spring对Service层、Dao层bean的默认单例实现，我认为都是沿用了不变模式中共享的思想。