invariant 释义

「爱情、让人受尽委屈。」 2022-03-16 15:12 285阅读 0赞

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;
      }
    }复制代码

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);
      }
    }复制代码

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\[^3\]：

// "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;  }
    }复制代码

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\[^2\]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  
\[^2\]: [Java Concurrency in Practice][] 这本书将 invariant 翻译成不变性  
\[^3\]: 代码改编自 [Effective Java][] Item 39

[item 2]: https://link.juejin.im?target=http%3A%2F%2Fwulfric.me%2F2017%2F11%2Feffetive-java-2%23Item2
[invariant]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.wikiwand.com%2Fen%2FInvariant_%28computer_science
[class invariant]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.wikiwand.com%2Fen%2FClass_invariant
[Java Concurrency in Practice]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fbook.douban.com%2Fsubject%2F1888733%2F
[what-is-an-invariant]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fstackoverflow.com%2Fquestions%2F112064%2Fwhat-is-an-invariant
[Effective Java]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fbook.douban.com%2Fsubject%2F2696119%2F