Effective Java 的 item 2 的 Builder 模式可以在 Builder 的 build 中检查参数是否符合约束条件,原文和中文版译文是这样的:

Like a constructor, a builder can impose invariants on its parameters. The build method can check these invariants.

builder 像构造器一样,可以对其参数强加约束条件。build 方法可以检验这些约束条件。

在看这一段的时候并不明白 invariant 的具体含义。

invariant 在词典里的字面意思是

n. 不变式,不变量

按照这样的字面意思很难理解 'A builder can impose invariants on its parameters' 这句话:builder 强加的是什么不变式或者不变量呢?

参考释义

我们先看下在维基百科 invariant 词条的定义:

In computer science, an invariant is a condition that can be relied upon to be true during execution of a program, or during some portion of it. It is a logical assertion that is held to always be true during a certain phase of execution. For example, a loop invariant is a condition that is true at the beginning and end of every execution of a loop.

在计算机科学中,invariant 就是在程序的执行过程或部分执行过程中,可以认为绝对正确的条件。它是在执行的某个阶段中总是 true 的逻辑断言。比如,循环不变性约束条件就是在循环每次执行的开始和结束都是 true 的条件。

在没有完全理解的情况下看这段介绍是有点摸不着头脑,弄明白之后再看倒是能看得懂了 -.- 而且我觉得该词条中使用的例子(循环不变式和 MU puzzle)都不太方便理解,反而是 class invariant 更容易理解一点。

示例

网络的其他地方也可以找到解答1,但我想用一个更简单的例子来说明:我们想要实现一个加法运算的函数,它接受两个整数作为参数,并输出二者相加的和。

class Main {
  public static void main(String args[]){
    int a = 2147483647;
    int b = 2147483646;
    System.out.println(add(a, b));
  }
  private static int add(int a, int b) {
    return a + b;
  }
}

执行这段代码,我们发现 add 的结果是 -3。为什么是 -3 相信大家都比较好理解:a + b 溢出了 int 的范围。这里我们就发现了 add 方法的一个 invariant:两个正整数相加,结果必须为正整数。而目前的这个 add 方法显然没有做好这个保证。

再来看看 class invariant。在维基的词条中给出了一个 D 语言的例子:

class Date {
  int day;
  int hour;

  invariant() {
    assert(1 <= day && day <= 31);
    assert(0 <= hour && hour < 24);
  }
}

D 语言原生支持对类的 invariant 验证。Date 的 day 必然是 1 到 31,而 hour 必然是 0 到 23,这两个条件就是 Date 类的 invariant 条件。Java 语言的 Bean Validation 其实就是一种 class invariant。

根据释义理解 Builder 模式中的 invariant

所谓 invariant,就是针对某个主体(对象,方法等)的一些「绝对真理」式的约束,不论该主体处于何种状态或阶段,都必须满足这些约束条件。它们不受状态和阶段的转移影响,即所谓不变性。所以,在本文中,我们将 invariant 翻译成「不变性约束条件」。

事实上 Java Concurrency in Practice 这本书才是让我理解 invariant 的关键,因为在并发条件下,一个类的不变性约束条件极有可能被破坏掉,我们也很容易通过这种破坏理解什么是 class invariant:对类的不变性约束条件。

代码示例如下2

// "mutable" time period class
public class Period {
    private Date start;
    private Date end;

    public Date getStart() { return start; }
    public Date setStart(Date start) { this.start = start; }
    public Date getEnd() {  return end;  }
    public Date setEnd(Date end) {  this.end = end;  }
}

如果有两个线程都可以操作 Period 的对象,每个线程都可以设置 start 和 end,可想而知对于 Period 的实例来说,因为缺乏必要的验证,start <= end这个 invariant 条件很容易被破坏。

回到 Effective Java 中的 Builder 模式。Builder 只是一个方便创建对象的工具,这里面所说的 invariant 其实就是对应类的 invariant,即要满足类所映射的现实世界的约束。

invariant 与 immutable

将 invariant 翻译成不变性3容易和 immutable 混淆,即使二者的意思其实差别很大。我们在「Java 编程思想」这本书的中文版中就发现了这个错误:

Integer类(以及基本的“封装器”类)用简单的形式实现了“不变性”:它们没有提供可以修改对象的方法。 若确实需要一个容纳了基本数据类型的对象,并想对基本据类型进行修改,就必须亲自创建它们。

注意这个翻译是不好的。immutable 翻译成不可变更好。虽然我在本文中将 invariant 翻译成不变性约束条件,但约束条件其实是一个隐含的意思,并非字面意思,正常情况下还是翻译成不变性比较好。因此,immutable 的翻译应能够很好地区分 invariant 才是。

invariant 指的是对对象的某些约束条件,而 immutable 指的是对象本身是不可变的。比如我们用经纬度来表示地球表面的一个点,这个类是 Point,它有两个参数:经度和纬度。所谓 invariant,就是说这个类的经度参数必须在 -180 到 180 之间,而纬度必须在 -90 到 90 之间。无论是构造器还是 setter 方法都必须验证这个 invariant 条件。所谓 immutable,指的是为了方便地实现线程安全类,我们将 Point 设计为 immutable 的,即经度和纬度属性都是 final 的,且不能提供 setter 方法。一旦实例化一个 point,它就不能再被修改,而只能通过重新 new 一个新的实例来代替旧的 point。

可见,invariant 和 immutable 是无关的,不管一个类是不是 immutable 的,它都必须受到 invariant 条件的制约(即谓不变性),否则它产生的对象就可能是无效的。

  1. stackoverflow 上的 what-is-an-invariant 对 invariant 的解释也较为浅显,可以参考 

  2. 代码改编自 Effective Java Item 39 

  3. Java Concurrency in Practice 这本书将 invariant 翻译成不变性