Java 9集合工廠方法：用List.of、Set.of、Map.of創建安全不可變集合
Java 9引入了革命性的集合工廠方法List.of、Set.of和Map.of，徹底改變了開發者創建小型不可變集合的方式。這些方法不僅語法簡潔，還在安全性和性能上實現了質的飛躍。本文將深入解析這些工廠方法的核心特性，并通過對比傳統方式，展示其在實際開發中的優勢。
一、新工廠方法概覽
1. 方法家族
| 方法簽名 | 說明 | 示例 |
|---|---|---|
List.of(E... elements) | 創建不可變List | List<String> list = List.of("A", "B"); |
Set.of(E... elements) | 創建不可變Set（元素唯一） | Set<Integer> set = Set.of(1, 2, 3); |
Map.of(K k1, V v1, ...) | 創建不可變Map（最多10個鍵值對） | Map<String, Integer> map = Map.of("a", 1, "b", 2); |
Map.ofEntries(Map.Entry...) | 創建任意數量鍵值對的Map | Map.ofEntries(entry("a", 1), entry("b", 2)) |
二、核心優勢
1. 真正不可變性（vs 偽不可變）
傳統方式的問題：
// Java 8的"不可變"集合
List<String> oldList = Collections.unmodifiableList(new ArrayList<>(Arrays.asList("A", "B"))
);
oldList.add("C"); // 運行時拋出UnsupportedOperationException
新方式：
List<String> newList = List.of("A", "B");
newList.add("C"); // 編譯期即可通過IDE提示發現問題
| 特性 | 新工廠方法 | Collections.unmodifiableList |
|---|---|---|
| 編譯期類型檢查 | ? 直接拒絕修改操作 | ? 運行時異常 |
| 防御原集合修改 | ? 完全獨立 | ? 包裝集合仍受原集合影響 |
2. 空值安全（Null Safety）
List.of("A", null); // 立即拋出NullPointerException
Set.of(null); // 同上
Map.of("key", null);// 值也不能為null
設計哲學：在集合創建時嚴格拒絕null，避免后續NPE隱患。
3. 元素唯一性保證（針對Set/Map）
Set.of(1, 1); // 直接拋出IllegalArgumentException
Map.of("a", 1, "a", 2); // 鍵重復，拋出異常
4. 性能優化
JVM針對工廠方法返回的集合做了深度優化：
- 內存占用：比
new ArrayList節省約30%內存 - 迭代速度：比傳統集合快2-3倍（得益于緊湊存儲）
- 哈希計算：
Set.of/Map.of在創建時預計算哈希值
三、與傳統方式對比
1. 創建不可變List
Java 8方式：
List<String> list = Collections.unmodifiableList(new ArrayList<>(Arrays.asList("A", "B"))
);
// 需要兩層包裝，內存開銷大
Java 9方式：
List<String> list = List.of("A", "B");
// 直接返回優化后的不可變實例
2. 創建不可變Set
傳統方式：
Set<Integer> set = Collections.unmodifiableSet(new HashSet<>(Arrays.asList(1, 2, 3))
);
// 無法保證初始化時的元素唯一性
新方式：
Set<Integer> set = Set.of(1, 2, 3);
// 自動檢查元素唯一性，發現重復立即報錯
3. 創建不可變Map
傳統方式：
Map<String, Integer> tempMap = new HashMap<>();
tempMap.put("a", 1);
tempMap.put("b", 2);
Map<String, Integer> map = Collections.unmodifiableMap(tempMap);
// 需要中間變量，存在競態條件風險
新方式：
Map<String, Integer> map = Map.of("a", 1, "b", 2);
// 線程安全，無中間狀態
四、使用注意事項
1. 元素限制
- 數量限制：
Map.of最多接受10個鍵值對（超過需用Map.ofEntries） - 類型限制：不支持基本類型（需用包裝類）
List.of(1, 2, 3); // 正確：自動裝箱 List.of(new int[]{1}); // 錯誤：實際類型為List<int[]>
2. 防御性編程
// 接收外部集合時創建防御副本
void process(List<String> input) {List<String> safeList = List.copyOf(input); // Java 10+// 或 List<String> safeList = List.of(input.toArray());
}
3. 與Stream API結合
// 過濾后生成不可變集合
List<String> filtered = Stream.of("A", "B", "C").filter(s -> s.length() > 1).collect(Collectors.toUnmodifiableList());
五、最佳實踐場景
1. 配置參數存儲
private static final Set<String> VALID_STATUSES = Set.of("NEW", "PROCESSING", "COMPLETED");
2. 測試數據構造
@Test
void testSort() {List<Integer> numbers = List.of(3, 1, 4);Collections.sort(numbers); // 立即拋出UnsupportedOperationException
}
3. 返回值保護
public List<Employee> getEmployees() {return List.copyOf(internalList); // 返回不可變副本
}
六、常見問題解答
Q1：為什么需要新的工廠方法？
- 類型安全：編譯時即可發現修改操作
- 性能優勢：專用實現比通用集合更高效
- 語義清晰：明確表達不可變意圖
Q2：如何創建空集合？
List<String> emptyList = List.of(); // 空集合單例
Set<Integer> emptySet = Set.of();
Map<String, String> emptyMap = Map.of();
Q3：與Arrays.asList的區別？
| 特性 | List.of | Arrays.asList |
|---|---|---|
| 可變性 | 完全不可變 | 半可變（可set不可add） |
| 空值支持 | ? 禁止null | ? 允許null |
| 與原數組關聯 | ? 獨立存儲 | ? 共享底層數組 |
| 內存占用 | 優化后的緊湊結構 | 包裝器+數組引用 |
七、總結
使用新工廠方法的三大理由：
- 🛡? 安全性：杜絕意外修改，強化空值約束
- 🚀 性能：專為不可變場景優化，內存效率更高
- ? 簡潔性：一行代碼表達創建不可變集合的意圖
適用原則：
- 優先用于靜態配置數據
- 推薦作為方法返回值防止外部修改
- 適合存儲需要確保完整性的業務數據
遷移建議：
- 逐步替換項目中
Collections.unmodifiableXXX的用法 - 在單元測試中優先采用新語法
- 注意檢查歷史代碼中的
null值使用
Java 9的集合工廠方法不僅是語法糖，更是工程實踐的重要進步。合理運用這些特性，可以讓代碼更健壯、更高效，同時降低維護成本。
