以不变应万变：final关键字和不变性

1 什么是不变性（Immutable）

• 如果对象在被创建后，状态就不能被修改，那么它就是不可变的

例子：person对象，age和name都不能再变

/**
 * 不可变的对象，演示其他类无法修改这个对象，public也不行
 */
public class Person {
    final int age = 18;
    final String name = "Alice";

    public static void main(String[] args) {
        //new Person().age = 60;
    }
}

具有不变性的对象一定是线程安全的，我们不需要对其采取任何额外的安全措施，也能保证线程安全 

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2 final的作用

早期

• 锁定
• 效率：早期的Java实现版本中，会将final方法转为内嵌调用

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现在

• 类防止被继承、方法防止被重写、变量防止被修改
• 天生是线程安全的，而不需要额外的同步开销

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3 3种用法：修饰变量、方法、类

• final修饰变量
• final修饰方法
• final修饰类

 final修饰变量

• 含义：被final修饰的变量，意味着值不能被修改。如果变量是对象，那么对象的引用不能变，但是对象自身的内容依然可以变化

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final修饰：3种变量

• final instance variable（类中的final属性）
• final static variable（类中的static final属性）
• final local variable（方法中的final变量）

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final修饰变量：赋值时机

• 属性被声明为final后，该变量则只能被赋值一次。且一旦被赋值，final的变量就不能再被改变，无论如何也不会变

赋值时机

final instance variable（类中的final属性）

• 第一种是在声明变量的等号右边直接赋值
• 第二种就是构造函数中赋值
• 第三就是在类的初始代码块中赋值（不常用）
• 如果不采用第一种赋值方法，那么就必须在第2、3种挑一个来赋值，而不能不赋值，这是final语法所规定的

/**
 * 演示final变量
 */
public class FinalVariableDemo {
    //第一种是在声明变量的等号右边直接赋值
    private final int a;//a = 1;

    //第二种就是构造函数中赋值
    //public FinalVariableDemo(int a) {
    //    this.a = a;
    //}
    
    //第三就是在类的初始代码块中赋值（不常用）
    //{
    //    a = 1;
    //}
}

final static variable（类中的static final属性）

• 两个赋值时机：除了在声明变量的等号右边直接赋值外，static final变量述可以用static初始代码块赋值，但是不能用普通的初始代码块赋值

public class FinalVariableDemo {
    private static final int a;//a = 1;
    
    //static {
    //    a = 1;
    //}
}

final local variable（方法中的final变量）

• 和前面两种不同，由于这里的变量是在方法里的，所以没有构造函数，也不存在初始代码块
• final local variable不规定赋值时机，只要求在使用前必须赋值，这和方法中的非final变量的要求也是一样的

public class FinalVariableDemo {
    void testFinal() {
       final int b;//b = 7;
       //在使用前必须赋值
        int c =b;
    }
}

为什么要规定赋值时机？

• 我们来思考一下为什么语法要这继承这样？：如果初始化不赋值，后续赋值，就是从null变成你的赋值，这就违反final不变的原则了！

public class FinalVariableDemo {
    private static final Object person = null;
    //static {
    //    person = new Object();
    //}
}

final修饰方法 

• 构造方法不允许final修饰
• 不可被重写，也就是不能被@Override，即便是子类有同样名字的方法，那也不是Override，这个和static方法是一个道理
• 引申：static方法不能被重写

public class FinalMethodDemo {
    int a;
    //
    public final FinalMethodDemo(int a){
        this.a = a;
    }
}

public class FinalMethodDemo {
    public void drink() {
    }
    public final void eat() {
    }
    public static void sleep() {
        System.out.println("immutable.FinalMethodDemo.sleep");
    }
}
class SubClass extends FinalMethodDemo {
    @Override
    public void drink() {
        super.drink();
        eat();
    }
    //public final void eat() {
    //}
    //public void eat() {
    //}

    //可以写一个同名的方法：这一点和final方法不一样
    public static void sleep() {
        System.out.println("immutable.SubClass.sleep");
    }
    //public static void main(String[] args) {
    //    SubClass.sleep();
    //}
}

final修饰类

• 不可被继承
• 例如典型的String类就是final的，我们从没见过哪个类是继承String类的

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4 final的注意点

• final修饰对象的时候，只是对象的引用不可变，而对象本身的属性是可以变化的
• final使用原则：良好的编程习惯

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5 不变性和final的关系

不变性并不意味着，简单地用final修饰就是不可变

• 对于基本数据类型，确实被final修饰后就具有不变性
• 但是对于对象类型，需要该对象保证自身被创建后，状态永远不会变才可以

如何利用final实现对象不可变

• 把所有属性都声明为final？ //这句话不对
• 一个属性是对象类型的不可变对象的正确例子

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总结：满足以下条件时，对象才是不可变的

• 对象创建后，其状态就不能修改
• 所有属性都是final修饰的
• 对象创建过程中没有发生逸出

public class Person {
    final int age = 18;
    final String name = "Alice";
    final TestFinal testFinal = new TestFinal();
    public static void main(String[] args) {
        final Person person = new Person();
        person.testFinal.test = "北京";
        System.out.println(person.testFinal.test);
        person.testFinal.test = "上海";
        System.out.println(person.testFinal.test);
    }
}
class TestFinal{
    String test;
}

/**
 * 一个属性是对象，但是整体不可变，其他类无法修改set里面的数据
 */
public class ImmutableDemo {
    private final Set<String> students = new HashSet<>();
    public ImmutableDemo() {
        students.add("蔡徐坤");
        students.add("乔碧萝");
        students.add("卢本伟");
    }
    public boolean isStudent(String name) {
        return students.contains(name);
    }
}

把变量写在线程内部—栈封闭

• 在方法里新建的局部变量，实际上是存储在每个线程私有的栈空间，而每个栈的栈空间是不能被其他线程所访问到的，所以不会有线程安全问题。这就是著名的“栈封闭”技术，是“线程封闭”技术的一种情况。

/**
 * 演示栈封闭的两种情况，基本变量和对象 先演示线程争抢带来错误结果，然后把变量放到方法内，情况就变了
 */
public class StackConfinement implements Runnable {
    int index = 0;
    public void inThread() {
        int neverGoOut = 0;
        //synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                neverGoOut++;
            }
        //}
        System.out.println("栈内保护的数字是线程安全的：" + neverGoOut);
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            index++;
        }
        inThread();
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        StackConfinement r1 = new StackConfinement();
        Thread thread1 = new Thread(r1);
        Thread thread2 = new Thread(r1);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(r1.index);
    }
}

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6 面试题

public class FinalStringDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "wukong2";
        final String b = "wukong";
        String d = "wukong";
        String c = b + 2;
        String e = d + 2;//运行时才确定的e，e时在堆上创建的
        //a c 指向常量池
        System.out.println((a == c));//true
        System.out.println((a == e));//false
    }
}

public class FinalStringDemo2 {
    private static String getDashixiong() {
        return "wukong";
    }
    public static void main(String[] args) {
        String a = "wukong2";
        //编译时期无法确定b的值
        final String b = getDashixiong();
        String c = b + 2;
        System.out.println(a == c);//false
    }
}