Trong thế giới phát triển phần mềm, việc đảm bảo an toàn và dễ dự đoán cho code là vô cùng quan trọng. Đối tượng bất biến (Immutable Object) đóng vai trò then chốt trong việc này. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ đối tượng bất biến là gì, tại sao chúng lại quan trọng trong Java và cách tạo ra các lớp bất biến một cách hiệu quả. Chúng ta sẽ khám phá cơ chế hoạt động bên trong của chúng, cách lớp `String` trong Java được thiết kế bất biến, và những lợi ích mà chúng mang lại trong các ứng dụng đa luồng và tối ưu hóa hiệu suất.
Một đối tượng được gọi là bất biến khi trạng thái của nó không thể thay đổi sau khi nó được tạo ra. Điều này có nghĩa là, một khi một instance của lớp được khởi tạo, các giá trị được gán cho các trường của nó sẽ giữ nguyên trong suốt vòng đời của đối tượng. Điều này khác với các đối tượng cho phép sửa đổi sau khi tạo, nơi các trường có thể được cập nhật bất kỳ lúc nào.
Hãy tưởng tượng bạn có một viên đá. Sau khi bạn tạo ra nó, hình dạng và thành phần của nó không thể thay đổi. Đó chính là bản chất của một đối tượng bất biến. Chúng mang lại sự ổn định và dễ dự đoán cho code của bạn, giảm thiểu các lỗi tiềm ẩn do thay đổi trạng thái không mong muốn.
Trong Java, tính bất biến được thực thi bằng cách hạn chế cách các trường đối tượng có thể được sửa đổi. Khi một đối tượng được tạo, bộ nhớ được cấp phát cho nó trong heap. Nếu đối tượng là bất biến, các giá trị bên trong không gian bộ nhớ đó sẽ giữ nguyên. Bất kỳ nỗ lực nào để thay đổi các trường của nó không làm thay đổi đối tượng ban đầu mà thay vào đó dẫn đến việc tạo một đối tượng mới.
Một ví dụ điển hình về điều này là cách lớp `String` của Java được thiết kế. Thay vì thay đổi instance hiện có khi sửa đổi một `String`, Java tạo một `String` hoàn toàn mới với giá trị được cập nhật. Điều này đảm bảo rằng `String` ban đầu vẫn giữ nguyên.
Lớp `String` trong Java là một ví dụ điển hình về tính bất biến. Một khi một `String` được tạo, mảng ký tự bên trong của nó vẫn không thay đổi. Điều này được thực thi bằng cách làm cho mảng ký tự là private và final, ngăn chặn các sửa đổi từ bên ngoài lớp.
Mảng ký tự bên trong một đối tượng `String` không thể thay đổi trực tiếp vì nó là private và không bao giờ được hiển thị bởi các phương thức mutator. Điều này có nghĩa là một khi mảng được gán trong quá trình khởi tạo, nó sẽ luôn tham chiếu đến cùng một vị trí bộ nhớ. Nếu một phương thức như `concat()` được gọi, một đối tượng `String` mới được tạo với nội dung được cập nhật, trong khi đối tượng ban đầu vẫn giữ nguyên.
Đánh dấu một trường là `final` ngăn tham chiếu của nó được gán lại. Nhưng điều này một mình không làm cho một đối tượng bất biến. Nó chỉ đảm bảo rằng một khi một giá trị được đặt, nó không thể được thay thế bằng một giá trị khác. Nếu trường chứa một kiểu nguyên thủy, đánh dấu nó `final` sẽ ngăn chặn các thay đổi đối với giá trị của nó.
Tuy nhiên, nếu một lớp có một trường `final` giữ một tham chiếu đến một đối tượng có thể thay đổi, nội dung của đối tượng đó vẫn có thể được sửa đổi. Từ khóa `final` chỉ khóa tham chiếu, ngăn nó trỏ đến một mảng khác, nhưng không ngăn chặn các sửa đổi đối với các phần tử bên trong. Đây là lý do tại sao tính bất biến thực sự đòi hỏi nhiều hơn là chỉ sử dụng các trường `final`.
Java tận dụng tính bất biến theo nhiều cách. Một trong những tối ưu hóa quan trọng nhất là string interning. JVM duy trì một string pool nơi các string literal được lưu trữ. Khi một string literal mới được sử dụng, Java trước tiên kiểm tra xem một `String` giống hệt đã tồn tại trong pool hay chưa. Nếu có, Java sử dụng lại tham chiếu hiện có thay vì tạo một đối tượng mới.
Để ngăn chặn các sửa đổi ngẫu nhiên, Java cũng tránh hiển thị mảng ký tự bên trong của `String`. Không giống như một số lớp khác, nơi gọi `get()` trên một trường mảng có thể trả về một tham chiếu trực tiếp, `String` không bao giờ hiển thị mảng bên trong của nó. Điều này ngăn chặn code bên ngoài sửa đổi nội dung của một instance `String`.
Vì các đối tượng bất biến không thể thay đổi, Java tạo các đối tượng mới thay vì sửa đổi các đối tượng hiện có bất cứ khi nào cần thay đổi. Thay vì thay đổi đối tượng ban đầu, Java tạo một đối tượng mới với giá trị được cập nhật. Mô hình này thường thấy trong các lớp wrapper như `Integer`, `Double` và `BigDecimal`.
Hành vi này rất tuyệt vời trong các phong cách lập trình tránh sửa đổi dữ liệu hiện có, làm cho code dễ theo dõi hơn và ít bị lỗi hơn. Vì các đối tượng bất biến không bao giờ thay đổi, chúng có thể được chia sẻ trên các phần khác nhau của một chương trình mà không có nguy cơ thay đổi bất ngờ.
Tạo một lớp bất biến trong Java có nghĩa là thiết kế nó sao cho trạng thái của nó không bao giờ thay đổi sau khi nó được đặt. Trong khi nhiều đối tượng cho phép cập nhật thông qua setters hoặc truy cập trường trực tiếp, một đối tượng bất biến giữ các giá trị của nó vĩnh viễn. Điều này được thực hiện bằng cách cẩn thận quản lý cách dữ liệu được gán và đảm bảo không có gì có thể sửa đổi nó sau này.
Để tạo một lớp không thể thay đổi sau khi khởi tạo, hãy tuân theo các quy tắc sau:
Một trong những sai lầm lớn nhất khi cố gắng làm cho một lớp bất biến là gán trực tiếp một đối tượng có thể thay đổi, chẳng hạn như một `List` hoặc `Map`, mà không thực hiện một bản sao. Điều này khiến đối tượng dễ bị sửa đổi từ code bên ngoài.
Để tránh điều này, hãy luôn tạo một đối tượng mới khi gán các trường có thể thay đổi. Bằng cách này, ngay cả khi một tham chiếu bên ngoài thay đổi danh sách ban đầu, nó sẽ không ảnh hưởng đến đối tượng bất biến.
Tính bất biến đôi khi có thể dẫn đến các lo ngại về hiệu suất, đặc biệt là khi xử lý các đối tượng lớn. Vì các đối tượng bất biến không thay đổi, các sửa đổi yêu cầu tạo các đối tượng hoàn toàn mới. Điều này có thể dẫn đến sử dụng bộ nhớ bổ sung và overhead thu gom rác.
Trong các ứng dụng hiệu suất cao xử lý các bộ sưu tập dữ liệu lớn, sao chép toàn bộ danh sách mỗi khi một đối tượng bất biến mới được tạo có thể không phải là lý tưởng. Trong những trường hợp như vậy, các lựa chọn thay thế như sử dụng `Collections.unmodifiableList()` hoặc các view chỉ đọc có thể giúp giảm overhead bộ nhớ trong khi vẫn giữ dữ liệu được bảo vệ.
Các đối tượng bất biến cũng hoạt động tốt với các cơ chế caching, vì chúng có thể được lưu trữ và sử dụng lại một cách an toàn mà không phải lo lắng về các sửa đổi bất ngờ. Các thư viện dựa trên các mô hình lập trình hàm, chẳng hạn như Java Streams và các concurrency framework, thường tận dụng tính bất biến để tránh các race condition và hành vi bất ngờ.
Tính bất biến trong Java hoạt động bằng cách khóa trạng thái của một đối tượng sau khi nó được tạo, ngăn chặn mọi thay đổi xảy ra trực tiếp. Điều này đạt được thông qua sự kết hợp của các trường `final`, các modifier truy cập private và các bản sao phòng thủ của các đối tượng có thể thay đổi. Hỗ trợ tích hợp của Java cho tính bất biến, được thấy trong các lớp như `String` và `Integer`, cho phép quản lý bộ nhớ an toàn, caching hiệu quả và code an toàn cho luồng mà không yêu cầu đồng bộ hóa. Cấu trúc các đối tượng sao cho chúng không thể được sửa đổi giúp Java tránh các tác dụng phụ không mong muốn và giúp dễ dàng lý luận về hành vi của chương trình, đặc biệt là trong các ứng dụng đồng thời.
Bài viết liên quan