0. 几个问题

什么是不可变类？
不可变类的优缺点是什么？
常见的不可变类有哪些？String为什么要设计成不可变类？
如何自己设计一个不可变类？
带着这几个问题阅读本文以期能对Java的不可变类有一个全面的了解。

1. 什么是不可变类

不可变类是指类的实例一旦创建后，不能改变其成员变量的值。
与之对应的，可变类的实例创建后可以改变其成员变量的值。

2. 不可变类的优缺点

优点：
1. 效率，例如字符串常量池，字符串常量池可以将一些字符常量放在常量池中重复使用，避免每次都重新创建相同的对象、节省存储空间。但如果字符串是可变的，此时相同内容的String还指向常量池的同一个内存空间，当某个变量改变了该内存的值时，其他遍历的值也会发生改变。所以不符合常量池设计的初衷。
2. 安全性，不可变对象天生是线程安全的，在不同线程共享对象，不需要同步机制，因为对象的值是固定的。
缺点：
1. 资源开销，对象需要频繁的修改属性，则每一次修改都会新创建一个对象，产生大量的资源开销。

3. 常见的不可变类有哪些？String为什么要设计成不可变类？

常见的不可变类：String Integer Long等类型
String设计成不可变类主要是出于效率和安全性考虑。

4. 如何自己设计一个不可变类？

类使用final修饰符修饰，保证类不能被继承。
如果类可以被继承会破坏类的不可变性机制，只要继承类覆盖父类的方法并且继承类可以改变成员变量值，那么一旦子类以父类的形式出现时，不能保证当前类是否可变。
类的成员变量都应该是private final的，保证成员变量不可改变。
任何获取/修改属性的方法都不应作用于属性本身。
- 不提供修改成员变量的方法，例如setter方法。
- getter方法不能返回对象本身，要返回对象的拷贝，防止对象外泄。
- 修改对象的属性时要返回新对象
对成员变量的初始化通过构造器进行，并进行深拷贝。
如果使用传入的参数直接赋值，则传递的只是引用，仍然可以通过外部变量改变它的值。

5. String类的不可变性分析

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
    ...
    /**
     * Allocates a new {@code String} so that it represents the sequence of
     * characters currently contained in the character array argument. The
     * contents of the character array are copied; subsequent modification of
     * the character array does not affect the newly created string.
     *
     * @param  value
     *         The initial value of the string
     */
    public String(char value[]) {
        this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
    }
    ...
    /**
     * Converts this string to a new character array.
     *
     * @return  a newly allocated character array whose length is the length
     *          of this string and whose contents are initialized to contain
     *          the character sequence represented by this string.
     */
    public char[] toCharArray() {
        // Cannot use Arrays.copyOf because of class initialization order issues
        char result[] = new char[value.length];
        System.arraycopy(value, 0, result, 0, value.length);
        return result;
    }
}

可以看出String类的设计遵循以下原则：

String类被final修饰，不可继承
string内部所有成员都设置为私有变量
不存在value的setter
并将value和offset设置为final。
当传入可变数组value[]时，进行copy而不是直接将value[]复制给内部变量.
获取value时不是直接返回对象引用，而是返回对象的copy.

这都符合上面总结的不变类型的特性，也保证了String类型是不可变的类。

但是，即使是不可变类，通过反射仍然可以改变其属性的值：

String s = "hello world";
System.out.println("s=" + s);
try {
    Field v = String.class.getDeclaredField("value");
    v.setAccessible(true);
    char[] c = (char[]) v.get(s);
    c[5] = '_';
    System.out.println("s=" + s);
} catch (NoSuchFieldException nfe) {
    nfe.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException iae) {
    iae.printStackTrace();
}

输出结果为：