Java Collection API增强功能系列之二 List.of、Set.of、Map.of

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。

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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 list = List.of("A", "B");
Set.of(E... elements)	创建不可变Set（元素唯一）	Set 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 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))

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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

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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

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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
  

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 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());

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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
}

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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

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七、总结

使用新工厂方法的三大理由：

1. ️ 安全性：杜绝意外修改，强化空值约束
2. 性能：专为不可变场景优化，内存效率更高
3. ✨ 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。