12.4 只读类

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“封装器”(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句柄)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“封装器”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(便不需要构建器),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,再对其进行造型,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的句柄的一个副本。该句柄连接的对象实际只在一个统一的物理位置处。句柄四处传递的时候,它的句柄会得到复制。 若观察对upcase()的定义,会发现传递进入的句柄有一个名字s,而且该名字只有在upcase()执行期间才会存在。upcase()完成后,本地句柄s便会消失,而upcase()返回结果——还是原来那个字串,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句柄。但它返回的句柄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()方法改变自变量或者参数吗?我们通常是不愿意的,因为作为提供给方法的一种信息,自变量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句柄(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. 覆盖"+"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,所以一个句柄不可能会改变一些会影响其他句柄的东西。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对象覆盖的运算符“+”。“覆盖”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中能被覆盖的唯一运算符,Java不允许程序员覆盖其他任何运算符——注释④)。

④:C++允许程序员随意覆盖运算符。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,运算符的覆盖在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:字串"abc"可以有一个方法append(),它新建了一个字串,其中包含"abc"以及foo的内容;这个新字串然后再创建另一个新字串,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串,但中间却要用到大量字串对象,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对象应用覆盖过的运算符+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。那些已被覆盖的方法用单独一行总结。 首先总结String类的各种方法:

方法 自变量,覆盖 用途

构建器 已被覆盖: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和自变量的字典顺序。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。覆盖加入了“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。覆盖在自变量里加入了偏移 一个布尔结果,指出String是否以那个自变量开头 endsWith() 可能是这个String后缀的一个String 一个布尔结果,指出自变量是不是一个后缀 indexOf(),lastIndexOf() 已覆盖:char,char和起始索引,String,String和起始索引 若自变量未在这个String里找到,则返回-1;否则返回自变量开始处的位置索引。lastIndexOf()可从终点开始回溯搜索 substring() 已覆盖: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,并在后面加上由自变量提供的字符 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,则沿用老字串 valueOf() 已覆盖:object,char[],char[]和偏移以及计数,boolean,char,int,long,float,double 返回一个String,其中包含自变量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句柄

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的一个句柄。这样做可以节省存储空间和系统开销。 下面列出有关StringBuffer(字串缓冲)类的方法:

方法 自变量,覆盖 用途

构建器 已覆盖: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() 已覆盖:Object,String,char[],特定偏移和长度的char[],boolean,char,int,long,float,double 将自变量转换成一个字串,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() 已覆盖,第一个自变量代表开始插入的位置:Object,String,char[],boolean,char,int,long,float,double 第二个自变量转换成一个字串,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覆盖或过载运算符+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。

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