Java 中的不可变集合实现方式：如何创建不变的集合？

开篇语

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前言

在 Java 编程中，不可变集合（Immutable Collection） 是指其内容在创建后不能被修改的集合。不可变集合在多线程编程中具有重要作用，因为它可以确保数据的一致性和安全性，避免了多线程访问时的竞争条件和同步问题。此外，不可变集合通常也具有性能优势，因为它们不需要进行同步操作，且能够减少内存复制。

在本文中，我们将深入探讨 Java 中如何实现不可变集合，具体的实现方式，以及它们在不同场景下的应用。

1. 不可变集合的特性

不可变集合的主要特性包括：

• 不可修改性：一旦创建，就不能对集合中的元素进行添加、删除、修改等操作。
• 线程安全：由于集合的内容不可变，因此天然是线程安全的，不需要额外的同步机制。
• 提高性能：不可变对象通常可以共享和缓存，避免了不必要的副本，提升了内存效率。

2. Java 中不可变集合的实现方式

Java 中实现不可变集合的方式有多种，下面我们将讨论几种常见的方法。

2.1. 使用 Collections.unmodifiableXXX() 方法

Java 提供了 Collections 类中的一系列静态方法，可以将现有的集合包装成不可变的集合。常见的方法有：

• unmodifiableList()：将 List 转换为不可修改的列表。
• unmodifiableSet()：将 Set 转换为不可修改的集合。
• unmodifiableMap()：将 Map 转换为不可修改的映射。

import java.util.*;

public class ImmutableExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个普通的集合
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("apple");
        list.add("banana");
        
        // 将集合转换为不可修改的集合
        List<String> immutableList = Collections.unmodifiableList(list);
        
        // 尝试修改不可变集合会抛出异常
        // immutableList.add("cherry"); // UnsupportedOperationException
    }
}

在这个例子中，我们首先创建了一个可修改的 ArrayList，然后使用 Collections.unmodifiableList() 方法将其转换为不可修改的集合。如果尝试修改这个不可变集合（例如调用 add() 或 remove() 方法），则会抛出 UnsupportedOperationException 异常。

2.2. 使用 Java 9 引入的 List.of()、Set.of() 和 Map.of() 方法

从 Java 9 开始，Java 引入了一些便捷的方法来创建不可变集合：

• List.of()：创建不可变的列表。
• Set.of()：创建不可变的集合。
• Map.of()：创建不可变的映射。

这些方法创建的集合是不可修改的，并且具有性能优化，适合快速创建不可变集合。

import java.util.*;

public class ImmutableExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建不可变列表
        List<String> immutableList = List.of("apple", "banana", "cherry");
        
        // 创建不可变集合
        Set<String> immutableSet = Set.of("apple", "banana", "cherry");
        
        // 创建不可变映射
        Map<String, Integer> immutableMap = Map.of("apple", 1, "banana", 2);
        
        // 尝试修改集合会抛出异常
        // immutableList.add("orange");  // UnsupportedOperationException
        // immutableSet.add("orange");   // UnsupportedOperationException
        // immutableMap.put("orange", 3); // UnsupportedOperationException
    }
}

在这个例子中，我们使用了 List.of()、Set.of() 和 Map.of() 来创建不可变集合。它们的主要优点是能够一次性创建不可变集合并且语法简洁。

2.3. 使用 ImmutableList、ImmutableSet 和 ImmutableMap（Guava）

Guava 是 Google 提供的一个 Java 库，提供了一些更加丰富的不可变集合类。通过 ImmutableList、ImmutableSet 和 ImmutableMap，我们可以非常方便地创建不可变集合。

import com.google.common.collect.*;

public class ImmutableExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建不可变的 List
        ImmutableList<String> immutableList = ImmutableList.of("apple", "banana", "cherry");
        
        // 创建不可变的 Set
        ImmutableSet<String> immutableSet = ImmutableSet.of("apple", "banana", "cherry");
        
        // 创建不可变的 Map
        ImmutableMap<String, Integer> immutableMap = ImmutableMap.of("apple", 1, "banana", 2);
        
        // 尝试修改集合会抛出异常
        // immutableList.add("orange"); // UnsupportedOperationException
        // immutableSet.add("orange");  // UnsupportedOperationException
        // immutableMap.put("orange", 3); // UnsupportedOperationException
    }
}

在这个例子中，ImmutableList、ImmutableSet 和 ImmutableMap 提供了一个非常方便的 API 来创建不可变集合。与 Collections.unmodifiableXXX() 不同，Guava 的不可变集合是专门设计的，可以提供更好的性能和更高的灵活性。

2.4. 使用 Record 创建不可变集合（Java 16+）

从 Java 16 开始，Java 引入了 Record 类型，它是一个不可变的类，用于存储数据。虽然 Record 主要用于创建不可变的对象，但它也可以配合集合类型使用，来保证集合内容的不可变性。

import java.util.*;

public class ImmutableRecordExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用 Record 类
        record Fruit(String name, int quantity) {}
        
        List<Fruit> fruits = List.of(new Fruit("apple", 5), new Fruit("banana", 3));
        
        // fruits 是不可变的，元素不可修改
        // fruits.add(new Fruit("orange", 2)); // UnsupportedOperationException
    }
}

Record 类型是不可变的，这意味着一旦创建就不能更改其字段。因此，可以使用 Record 类型来表示集合中的数据对象，从而保证对象本身的不可变性。

3. 不可变集合的优势

不可变集合相对于可变集合，有以下几个显著的优势：

• 线程安全：不可变集合是线程安全的，因为其内容在创建之后不可更改。多个线程可以同时访问而不会发生并发修改的问题。
• 性能优化：不可变集合避免了同步和加锁操作，可以减少线程间的竞争和同步开销，适合高并发场景。
• 数据一致性：不可变集合能保证数据的一致性，避免了集合中的数据在程序运行过程中被意外修改。
• 简化代码：不可变集合的设计简化了程序代码，因为不需要考虑修改操作，也不需要额外的同步处理。

4. 不可变集合的劣势

当然，不可变集合也有一定的劣势：

• 灵活性差：一旦创建了不可变集合，就不能对其中的数据进行修改。如果需要修改集合内容，需要创建新的集合，可能会增加一定的内存开销。
• 性能问题：对于频繁修改集合的场景，使用不可变集合可能导致性能下降，因为每次修改都会创建新的集合实例。

5. 总结

不可变集合在多线程环境下具有显著的优势，因为它们天生是线程安全的，不需要同步控制。Java 提供了多种实现不可变集合的方式，包括 Collections.unmodifiableXXX()、List.of()、Set.of()、Map.of()、Guava 提供的不可变集合等。在使用不可变集合时，开发者应根据具体的需求，权衡其带来的性能优化和内存开销。

无论是在并发编程中还是在单线程应用中，适当使用不可变集合能够显著提高代码的健壮性、性能和可维护性。

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文末

好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。

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