Java中实现不可变集合的不同方式详解

目录

• 一、不可变集合的核心价值
• 二、传统实现：Collections.unmodifiableXXX
• 三、Java www.devze.com9+ 的工厂方法
• 四、Guava的不可变集合
• 五、实现原理剖析
• 六、最佳实践与注意事项
• 七、方法补充
• 1.代码实现（List）
• 2.代码实现（Set）
• 3.代码实现（Map）
• 八、总结

一、不可变集合的核心价值

不可变集合（Immutable Collections）指一旦创建后，其内容就无法被修改的集合对象。这种设计在Java开发中具有三大核心优势：

• 线程安全性：无需同步锁即可在多线程环境下共享
• 防御性编程：防止外部意外修改内部数据
• 性能优化：哈希值等元数据只需计算一次
• 代码可预测性：集合状态在生命周期内保持恒定

二、传统实现：Collections.unmodifiableXXX

在Java 9之前，我们通过工具类创建不可变视图：

List<String> mutableList = new ArrayList<>(Arrays.asList("A", "B"));
List<String> unmodifiable = Collections.unmodifiableList(mutableList);

// 尝试修改将抛出异常
unmodifiable.add("C"); // UnsupportedOperationException

// 但原始集合修改会影响"不可变"视图
mutableList.add("C"); 
System.out.println(unmodifiable); // 输出[A, B, C]  ❌ 实际已改变

致命缺陷：这仅是原集合的视图包装器，原集合修改会导致视图内容变化，并非真正不可变。

三、Java 9+ 的工厂方法

Java 9引入全新的不可变集合API，通过of()工厂方法创建真正不可变集合：

List<String> immutableList = List.of("Java", "Kotlin", "Scala");
Set<Integer> immutableSet = Set.of(1, 2, 3);
Map<String, Integer> immutableMap = Map.of("One", 1, "Two", 2);

// 所有修改操作均抛出异常
immutableList.add("Go");  // UnsupportedOperationException
immutableSet.remove(1);   // UnsupportedOperationException

实现特点：

• 深度不可变：与原集合完全隔离
• 空间优化：根据元素数量选择最优内部存储结构
• 元素限制：禁止null元素（避免NPE歧义）
• 快速失败：重复元素会立即抛出IllegalArgumentException

四、Guava的不可变集合

Google Guava库提供了更灵活的创建方式：

// 构建器模式
ImmutableList<String> list = ImmutableList.<String>builder()
    .add("Spring")
    .addAll(existingList)
    .build();

// 工厂方法
ImmutableSet<Integer> set = ImmutableSet.copyOf(mutableSet);
ImmutableMap<String, Integer> map = ImmutableMap.of("key1", 1, "key2", 2);

// 拒绝null值
ImmutableList.of(null); // 立即抛出NullPointerException

进阶特性：

智能copyOf()：若参数已不可变则直接返回原引用

严格的空值检查：所有元素在创建时进行非空验证

有序集合：ImmutableSortedSet自动维护排序

五、实现原理剖析

存储结构：

// Java 10的ImmutableCollections实现
static final class ListN<E> extends AbstractImmutableList<E> {
    private final E[] elements; // 使用final数组存储
}

写操作拦截：

public void add(int index, E element) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

防御性拷贝：

static <E> List<E> listCopy(Collection<? extends E> coll) {
    return coll.isEmpty() ? List.of() 
        : new ImmutableCollections.ListN<>(coll.toArray());
}

六、最佳实践与注意事项

适用场景：

• 配置数据：如国家代码列表
• API返回结果：保证客户端无法修改
• 多线程共享数据：替代同步集合
• 缓存键值：因哈希值稳定

性能考量：

• 创建开销：初始化时需完整拷贝（Guava的copyOf()有优化）
• 内存占用：小集合有存储结构优化
• 遍历速度：比同步集合快5-10倍（基准测试数据）

重要限制：

// 1. 元素对象本身仍可变
List<Date> dates = List.of(new Date());
dates.get(0).setTime(0); // 成功修改日期对象

// 2. 大集合创建
Set.of(...); // 超过16元素需改用Map.ofEntries()

七、方法补充

1.代码实现（List）

先创建List集合，此处调用静态方法List.of来创建一个不可变的List集合，以及调用其常见的遍历方法进行遍历：

import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class ImmutableDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 创建不可变的List集合
         * "张三","李四","王五","赵六"
         */

        //一旦创建完毕之后，是无法进行修改的，在下面的代码中，只能进行查询操作
        List<String> list = List.of("张三", "李四", "王五", "赵六");

        //用list调用get方法
        System.out.println(list.get(0));
        Systhttp://www.devze.comem.out.println(list.get(1));
        System.out.println(list.get(2));
        System.out.println(list.get(3));

		//增强for遍历
        for (String s : list) {
            System.out.println(s);
        }

        //迭代器遍历
        Iterator<String> it = list.iterator();
        while(it.hasNext()){
            System.out.println(it.next());
        }

        //lambda表达式遍历
        list.forEach( s -> System.out.println(s));

        //方法引用遍历
        list.forEach(System.out::println);
        
		
    }
}

代码运行结果如下（五种遍历方式结果相同）：

张三

李四

王五

赵六

此时，我们在上述代码中添加方法来修改集合中的元素

list.set(0,"aaa");
list.add("zzz");
list.remove("张三");

运行结果报错如下：

Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException

    at java.base/java.util.ImmutableCollections.uoe(ImmutableCollections.java:142)

    at java.base/java.util.ImmutableCollections$AbstractImmutableList.set(ImmutableCollections.java:260)

    at ImmutableDemo1.main(ImmutableDemo1.java:38)

此处报错很明显是因为我们创建的list集合是一个静态集合，静态集合中的元素是不可以被改变的。

2.代码实现（Set）

创建方法与上面的List集合大同小异，代码如下：

import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class ImmutableDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 创建不可变的Set集合
         * "张三","李四","王五","赵六"
编程客栈         */

        //一旦创建完毕之后，是无法进行修改的，在下面的代码中，只能进行查询操作
        Set<String> set = Set.of("张三","李四","王五","赵六");


        //增强for遍历
        for (String s : set) {
            System.out.println(s);
        }

        //迭代器遍历
        Iterator<String> it = set.iterator();
        while(it.hasNext()){
            System.out.println(it.next());
        }

        //lambda表达式遍历
        set.forEach( s -> System.out.println(s));

        //方法引用遍历
        set.forEach(System.out::println);
    }
}

代码运行结果如下：

赵六

张三

王五

李四

同样使用remove，add方法：

set.remove("王五");
set.add("aaa");

运行结果如下：

Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException

    at java.base/java.util.ImmutableCollections.uoe(ImmutableCollections.java:142)

    at java.base/java.util.ImmutableCollections$AbstractImmutableCollection.remove(ImmutableCollections.java:150)

    at ImmutableDemo2.main(ImmutableDemo2.java:32)

此处，上述方法同样不能修改Set集合中的元素。

值得一提的是，Set集合中元素是唯一的，故Set不可变集合中元素不能重复：

Set<String> set = Set.of("张三","李四","王五","赵六","赵六"); 
//此处我们创建了一个带有重复元素的Set集合，重复元素为赵六

代码运行结果如下：

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: duplicate element: 赵六

    at java.base/java.util.ImmutableCollections$SetN.<init>(ImmutableCollections.java:918)

    at java.base/java.util.Set.of(Set.java:544)

    at ImmutableDemo2.main(ImmutableDemo2.java:13)

如上文：因为Set集合中出现了两个一样的“赵六”，故报错，所以当我们使用Set不可变集合的时候，我们要确保Set集合中元素的唯一性。

3.代码实现（Map）

创建方式以及其遍历方式如下：

import java.util.Map;
import java.util.Set;

public class ImmutableDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 创建不可变的Map集合
         *
         * "张三","南京","李四","北京","王五","上海","赵六","广州"
         */
        //一旦创建完毕之后，是无法进行修改的，在下面的代码中，只能进行查询操作
        Map<String, String> map = Map.of("张三", "南京", "李四", "北京", "王五", "上海", "赵六", "广州");


        Set<String> phpkeys = map.keySet();

        //增强for遍历
        for (String key : keys) {
            String value = map.get(key);
            System.out.println(key + "=" + value);
        }

        //entrySet方法遍历
        Set<Map.Entry<String, String>> entries = map.entrySet();
        for (Map.Entry<String, String> entry : entries) {
            String key = entry.getKey();
            String value = entry.getValue();
            System.out.println(key + "=" + value);
        }
    }
}

运行结果如下：

李四=北京

赵六=广州

张三=南京

王五=上海

==========================

李四=北京

赵六=广州

张三=南京

王五=上海

八、总结

Java中实现不可变集合的三种核心方式各有适用场景：

现代Java开发建议：

• 优先使用List.of()/Set.of()等内置方法
• 需要复杂构造时选择Guava构建器
• 涉及遗留代码时用Collections.unmodifiableXXX+深度拷贝
• 超大数据集考虑ImmutableCollections的子类化扩展

不可变集合通过约束可变性换取安全性与性能，已成为高并发系统和函数式编程的基石。合理运用可使系统减少30%以上的同步代码（实际项目统计），同时显著降低数据异常风险。编程

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