Java 9集合工厂方法：用List.of、Set.of、Map.of创建安全不可变集合
Java 9引入了革命性的集合工厂方法List.of、Set.of和Map.of，彻底改变了开发者创建小型不可变集合的方式。这些方法不仅语法简洁，还在安全性和性能上实现了质的飞跃。本文将深入解析这些工厂方法的核心特性，并通过对比传统方式，展示其在实际开发中的优势。
一、新工厂方法概览
1. 方法家族
| 方法签名 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
List.of(E... elements) |
创建不可变List | List<String> list = List.of("A", "B"); |
Set.of(E... elements) |
创建不可变Set（元素唯一） | Set<Integer> set = Set.of(1, 2, 3); |
Map.of(K k1, V v1, ...) |
创建不可变Map（最多10个键值对） | Map<String, Integer> map = Map.of("a", 1, "b", 2); |
Map.ofEntries(Map.Entry...) |
创建任意数量键值对的Map | Map.ofEntries(entry("a", 1), entry("b", 2)) |
二、核心优势
1. 真正不可变性（vs 伪不可变）
传统方式的问题：
// Java 8的"不可变"集合
List<String> oldList = Collections.unmodifiableList(
new ArrayList<>(Arrays.asList("A", "B"))
);
oldList.add("C"); // 运行时抛出UnsupportedOperationException
新方式：
List<String> newList = List.of("A", "B");
newList.add("C"); // 编译期即可通过IDE提示发现问题
| 特性 | 新工厂方法 | Collections.unmodifiableList |
|---|---|---|
| 编译期类型检查 | ✅ 直接拒绝修改操作 | ❌ 运行时异常 |
| 防御原集合修改 | ✅ 完全独立 | ❌ 包装集合仍受原集合影响 |
2. 空值安全（Null Safety）
List.of("A", null); // 立即抛出NullPointerException
Set.of(null); // 同上
Map.of("key", null);// 值也不能为null
设计哲学：在集合创建时严格拒绝null，避免后续NPE隐患。
3. 元素唯一性保证（针对Set/Map）
Set.of(1, 1); // 直接抛出IllegalArgumentException
Map.of("a", 1, "a", 2); // 键重复，抛出异常
4. 性能优化
JVM针对工厂方法返回的集合做了深度优化：
- 内存占用：比
new ArrayList节省约30%内存 - 迭代速度：比传统集合快2-3倍（得益于紧凑存储）
- 哈希计算：
Set.of/Map.of在创建时预计算哈希值
三、与传统方式对比
1. 创建不可变List
Java 8方式：
List<String> list = Collections.unmodifiableList(
new ArrayList<>(Arrays.asList("A", "B"))
);
// 需要两层包装，内存开销大
Java 9方式：
List<String> list = List.of("A", "B");
// 直接返回优化后的不可变实例
2. 创建不可变Set
传统方式：
Set<Integer> set = Collections.unmodifiableSet(
new HashSet<>(Arrays.asList(1, 2, 3))
);
// 无法保证初始化时的元素唯一性
新方式：
Set<Integer> set = Set.of(1, 2, 3);
// 自动检查元素唯一性，发现重复立即报错
3. 创建不可变Map
传统方式：
Map<String, Integer> tempMap = new HashMap<>();
tempMap.put("a", 1);
tempMap.put("b", 2);
Map<String, Integer> map = Collections.unmodifiableMap(tempMap);
// 需要中间变量，存在竞态条件风险
新方式：
Map<String, Integer> map = Map.of("a", 1, "b", 2);
// 线程安全，无中间状态
四、使用注意事项
1. 元素限制
- 数量限制：
Map.of最多接受10个键值对（超过需用Map.ofEntries） - 类型限制：不支持基本类型（需用包装类）
List.of(1, 2, 3); // 正确：自动装箱 List.of(new int[]{1}); // 错误：实际类型为List<int[]>
2. 防御性编程
// 接收外部集合时创建防御副本
void process(List<String> input) {
List<String> safeList = List.copyOf(input); // Java 10+
// 或 List<String> safeList = List.of(input.toArray());
}
3. 与Stream API结合
// 过滤后生成不可变集合
List<String> filtered = Stream.of("A", "B", "C")
.filter(s -> s.length() > 1)
.collect(Collectors.toUnmodifiableList());
五、最佳实践场景
1. 配置参数存储
private static final Set<String> VALID_STATUSES =
Set.of("NEW", "PROCESSING", "COMPLETED");
2. 测试数据构造
@Test
void testSort() {
List<Integer> numbers = List.of(3, 1, 4);
Collections.sort(numbers); // 立即抛出UnsupportedOperationException
}
3. 返回值保护
public List<Employee> getEmployees() {
return List.copyOf(internalList); // 返回不可变副本
}
六、常见问题解答
Q1：为什么需要新的工厂方法？
- 类型安全：编译时即可发现修改操作
- 性能优势：专用实现比通用集合更高效
- 语义清晰：明确表达不可变意图
Q2：如何创建空集合？
List<String> emptyList = List.of(); // 空集合单例
Set<Integer> emptySet = Set.of();
Map<String, String> emptyMap = Map.of();
Q3：与Arrays.asList的区别？
| 特性 | List.of |
Arrays.asList |
|---|---|---|
| 可变性 | 完全不可变 | 半可变（可set不可add） |
| 空值支持 | ❌ 禁止null | ✅ 允许null |
| 与原数组关联 | ❌ 独立存储 | ✅ 共享底层数组 |
| 内存占用 | 优化后的紧凑结构 | 包装器+数组引用 |
七、总结
使用新工厂方法的三大理由：
- 🛡️ 安全性：杜绝意外修改，强化空值约束
- 🚀 性能：专为不可变场景优化，内存效率更高
- ✨ 简洁性：一行代码表达创建不可变集合的意图
适用原则：
- 优先用于静态配置数据
- 推荐作为方法返回值防止外部修改
- 适合存储需要确保完整性的业务数据
迁移建议：
- 逐步替换项目中
Collections.unmodifiableXXX的用法 - 在单元测试中优先采用新语法
- 注意检查历史代码中的
null值使用
Java 9的集合工厂方法不仅是语法糖，更是工程实践的重要进步。合理运用这些特性，可以让代码更健壮、更高效，同时降低维护成本。