不可变类的三点要求：类和属性都是 final 的，所有方法均是只读的。

我们曾经说过，“多个线程同时读写同一共享变量存在并发问题”，这里的必要条件之一是读写，如果只有读，而没有写，是没有并发问题的。
解决并发问题，其实最简单的办法就是让共享变量只有读操作，而没有写操作。
这个办法如此重要，以至于被上升到了一种解决并发问题的设计模式：不变性（Immutability）模式。
所谓不变性，简单来讲，就是对象一旦被创建之后，状态就不再发生变化。换句话说，就是变量一旦被赋值，就不允许修改了（没有写操作）；没有修改操作，也就是保持了不变性。

快速实现具备不可变性的类

实现一个具备不可变性的类，还是挺简单的。
将一个类所有的属性都设置成 final 的，并且只允许存在只读方法，那么这个类基本上就具备不可变性了。更严格的做法是这个类本身也是 final 的，也就是不允许继承。因为子类可以覆盖父类的方法，有可能改变不可变性，所以推荐你在实际工作中，使用这种更严格的做法。

Java SDK 里很多类都具备不可变性，只是由于它们的使用太简单，最后反而被忽略了。
例如经常用到的 String 和 Long、Integer、Double 等基础类型的包装类都具备不可变性，这些对象的线程安全性都是靠不可变性来保证的。如果你仔细翻看这些类的声明、属性和方法，你会发现它们都严格遵守不可变类的三点要求：类和属性都是 final 的，所有方法均是只读的。

看到这里你可能会疑惑，Java 的 String 方法也有类似字符替换操作，怎么能说所有方法都是只读的呢？
我们结合 String 的源代码来解释一下这个问题，下面的示例代码源自 Java 1.8 SDK，我略做了修改，仅保留了关键属性 value[] 和 replace() 方法，你会发现：String 这个类以及它的属性 value[] 都是 final 的；而 replace() 方法的实现，就的确没有修改 value[]，而是将替换后的字符串作为返回值返回了。

public final class String {
    private final char value[];
    // 字符替换
    String replace(char oldChar, char newChar) {
        //无需替换，直接返回this  
        if (oldChar == newChar) {
            return this;
        }
        int len = value.length;
        int i = -1;
        /* avoid getfield opcode */
        char[] val = value;
        //定位到需要替换的字符位置
        while (++i < len) {
            if (val[i] == oldChar) {
                break;
            }
        }
        //未找到oldChar，无需替换
        if (i >= len) {
            return this;
        }
        //创建一个buf[]，这是关键
        //用来保存替换后的字符串
        char buf[] = new char[len];
        for (int j = 0; j < i; j++) {
            buf[j] = val[j];
        }
        while (i < len) {
            char c = val[i];
            buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;
            i++;
        }
        //创建一个新的字符串返回
        //原字符串不会发生任何变化
        return new String(buf, true);
    }
}

通过分析 String 的实现，你可能已经发现了，如果具备不可变性的类，需要提供类似修改的功能，具体该怎么操作呢？做法很简单，那就是创建一个新的不可变对象，这是与可变对象的一个重要区别，可变对象往往是修改自己的属性。
所有的修改操作都创建一个新的不可变对象，你可能会有这种担心：是不是创建的对象太多了，有点太浪费内存呢？是的，这样做的确有些浪费，那如何解决呢？

利用享元模式避免创建重复对象

如果你熟悉面向对象相关的设计模式，相信你一定能想到享元模式（Flyweight Pattern）。
利用享元模式可以减少创建对象的数量，从而减少内存占用。
Java 语言里面 Long、Integer、Short、Byte 等这些基本数据类型的包装类都用到了享元模式。
下面我们就以 Long 这个类作为例子，看看它是如何利用享元模式来优化对象的创建的。
享元模式本质上是一个对象池，利用享元模式创建对象的逻辑很：创建之前，首先去对象池里看看是不是存在；

如果已经存在，就利用对象池里的对象；
如果不存在，就会新创建一个对象，并且把这个新创建出来的对象放进对象池里。

Long 这个类并没有照搬享元模式，Long 内部维护了一个静态的对象池，仅缓存了 [-128,127] 之间的数字，这个对象池在 JVM 启动的时候就创建好了，而且这个对象池一直都不会变化，也就是说它是静态的。
之所以采用这样的设计，是因为 Long 这个对象的状态共有 264 种，实在太多，不宜全部缓存，而 [-128,127] 之间的数字利用率最高。

我的疑问：Long 对象的状态共有 264 种是什么意思？

下面的示例代码出自 Java 1.8，valueOf() 方法就用到了 LongCache 这个缓存，你可以结合着来加深理解。

Long valueOf(long l) {
    final int offset = 128;
    // [-128,127]直接的数字做了缓存
    if (l >= -128 && l <= 127) {
        return LongCache.cache[(int) l + offset];
    }
    return new Long(l);
}
//缓存，等价于对象池
//仅缓存[-128,127]直接的数字
static class LongCache {
    static final Long cache[] = new Long[-(-128) + 127 + 1];
    static {
        for (int i = 0; i < cache.length; i++) {
            cache[i] = new Long(i - 128);
        }
    }
}

在《13 | 理论基础模块热点问题答疑》中提到“Integer 和 String 类型的对象不适合做锁”，其实基本上所有的基础类型的包装类都不适合做锁，因为它们内部用到了享元模式，这会导致看上去私有的锁，其实是共有的。
例如在下面代码中，本意是 A 用锁 al，B 用锁 bl，各自管理各自的，互不影响。但实际上 al 和 bl 是一个对象，结果 A 和 B 共用的是一把锁。

class A {
    Long al = Long.valueOf(1);
    public void setAX() {
        synchronized (al) {
            //省略代码无数
        }
    }
}
class B {
    Long bl = Long.valueOf(1);
    public void setBY() {
        synchronized (bl) {
            //省略代码无数
        }
    }
}

使用 Immutability 模式的注意事项

在使用 Immutability 模式的时候，需要注意以下两点：

对象的所有属性都是 final 的，并不能保证不可变性；
不可变对象也需要正确发布。

在 Java 语言中，final 修饰的属性一旦被赋值，就不可以再修改，但是如果属性的类型是普通对象，那么这个普通对象的属性是可以被修改的。
例如下面的代码中，Bar 的属性 foo 虽然是 final 的，依然可以通过 setAge() 方法来设置 foo 的属性 age。所以，在使用 Immutability 模式的时候一定要确认保持不变性的边界在哪里，是否要求属性对象也具备不可变性。

class Foo {
    int age = 0;
    int name = "abc";
}
final class Bar {
    final Foo foo;
    void setAge(int a) {
        foo.age = a;
    }
}

下面我们再看看如何正确地发布不可变对象。不可变对象虽然是线程安全的，但是并不意味着引用这些不可变对象的对象就是线程安全的。
例如在下面的代码中，Foo 具备不可变性，线程安全，但是类 Bar 并不是线程安全的，类 Bar 中持有对 Foo 的引用 foo，对 foo 这个引用的修改在多线程中并不能保证可见性和原子性。

//Foo线程安全
final class Foo {
    final int age = 0;
    final int name = "abc";
}
//Bar线程不安全
class Bar {
    Foo foo;
    void setFoo(Foo f) {
        this.foo = f;
    }
}

如果你的程序仅仅需要 foo 保持可见性，无需保证原子性，那么可以将 foo 声明为 volatile 变量，这样就能保证可见性。如果你的程序需要保证原子性，那么可以通过原子类来实现。
下面的示例代码是合理库存的原子化实现，其中就是用原子类解决了不可变对象引用的原子性问题。

public class SafeWM {
    class WMRange {
        final int upper;
        final int lower;
        WMRange(int upper, int lower) {
            //省略构造函数实现
        }
    }
    final AtomicReference<WMRange> rf = new AtomicReference<>(new WMRange(0, 0));
    // 设置库存上限
    void setUpper(int v) {
        while (true) {
            WMRange or = rf.get();
            // 检查参数合法性
            if (v < or.lower) {
                throw new IllegalArgumentException();
            }
            WMRange nr = new WMRange(v, or.lower);
            if (rf.compareAndSet(or, nr)) {
                return;
            }
        }
    }
}

总结

利用 Immutability 模式解决并发问题，也许你觉得有点陌生，其实你天天都在享受它的战果。
Java 语言里面的 String 和 Long、Integer、Double 等基础类型的包装类都具备不可变性，这些对象的线程安全性都是靠不可变性来保证的。
Immutability 模式是最简单的解决并发问题的方法，建议当你试图解决一个并发问题时，可以首先尝试一下 Immutability 模式，看是否能够快速解决。

具备不变性的对象，只有一种状态，这个状态由对象内部所有的不变属性共同决定。
其实还有一种更简单的不变性对象，那就是无状态。无状态对象内部没有属性，只有方法。
除了无状态的对象，你可能还听说过无状态的服务、无状态的协议等等。
无状态有很多好处，最核心的一点就是性能。

在多线程领域，无状态对象没有线程安全问题，无需同步处理，自然性能很好；
在分布式领域，无状态意味着可以无限地水平扩展，所以分布式领域里面性能的瓶颈一定不是出在无状态的服务节点上。

我的疑问：为什么分布式领域里面性能的瓶颈一定不是出在无状态的服务节点上？

课后思考

下面的示例代码中，Account 的属性是 final 的，并且只有 get 方法，那这个类是不是具备不可变性呢？

public final class Account {
    private final StringBuffer user;
    public Account(String user) {
        this.user = new StringBuffer(user);
    }
    public StringBuffer getUser() {
        return this.user;
    }
    public String toString() {
        return "user" + user;
    }
}

并发编程

28 | Immutability模式：如何利用不变性解决并发问题？

快速实现具备不可变性的类

利用享元模式避免创建重复对象

使用 Immutability 模式的注意事项

总结

课后思考