泛谈Java中的不可变数据结构

什么是不可变数据结构？

不可变数据结构（Immutable Data Structure）顾名思义，是指在创建之后无法被修改的数据结构，也就是一旦定义好了之后就不能再新增、修改或删除其中的元素了。它和可变数据结构（Mutable Data Structure）相对而言，可变数据结构可以在运行时修改其中的元素。

在Java中，不可变数据结构通常通过将类中的属性设置为 final 来实现，或者通过返回新的实例来替换原来的实例实现不可变性。

不可变数据结构的优点

线程安全

在多线程环境中，如果多个线程同时修改同一个可变对象，就有可能导致数据的安全问题，例如线程之间的竞态条件和资源争用问题。而不可变数据结构在被创建后就不可修改，因此不涉及多个线程同时修改同一个对象的问题，从而保证了线程安全。

缓存友好

不可变数据结构具有缓存友好的特性。因为缓存的目的之一就是为了提高查询效率，在某些情况下缓存需要对数据进行复制，如果需要复制的是可变数据结构，就需要在缓存之前对数据进行复制，以免缓存中的对象被其他线程修改导致数据不一致，而不可变数据结构就不存在这样的问题。

性能优化

不可变数据结构的访问时间比可变数据结构更加可预测和稳定，因为它们不会被修改，所以可以更好地优化数据集合的内存占用和访问速度。因此，在某些情况下使用不可变数据结构可以获得更好的性能。

不可变数据结构的缺点

内存占用

不可变数据结构在被创建时会复制原始数据，因此它们可能需要更多的内存空间来存储，这在处理大量数据时会导致内存占用过高。

动态修改困难

不可变数据结构一旦被创建，就不能被修改。如果需要修改其中的元素，就需要创建一个新的实例来代替原来的实例，这种过程可能非常耗时和低效。

不可变数据结构的示例

不可变列表

不可变列表可以通过 java.util.Collections 类中的 unmodifiableList 方法创建。代码示例如下：

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("foo");
list.add("bar");
List<String> unmodifiableList = Collections.unmodifiableList(list);

在上述代码中，unmodifiableList 是一个不可变的列表，它包含了 list 中的所有元素。由于 unmodifiableList 是不可变的，因此不能向其中添加或删除元素。

不可变映射

不可变映射可以通过 com.google.common.collect.ImmutableMap 类来创建。代码示例如下：

import com.google.common.collect.ImmutableMap;

Map<String, String> map = ImmutableMap.of("key1", "value1", "key2", "value2");

在上述代码中，map 是一个不可变的映射，它包含了两个键值对 (key1, value1) 和 (key2, value2)，其中的键和值都不能被修改。

结论

尽管不可变数据结构具有一些局限性，但是它们在多线程环境下非常有用，并且可以提高程序的可维护性和可读性。因此，在考虑数据结构的使用方式时，需要根据具体的场景权衡可变性和不可变性。