C#中的不可變數(shù)據(jù)類型介紹（不可變對象、不可變集合）

更新時(shí)間：2015年04月10日 09:04:24 投稿：junjie

這篇文章主要介紹了C#中的不可變數(shù)據(jù)類型介紹（不可變對象、不可變集合）,本文講解了不可變對象、自定義不可變集合、Net提供的不可變集合、不可變優(yōu)點(diǎn)、不可變對象缺點(diǎn)等內(nèi)容,需要的朋友可以參考下

不可變對象

不可變(immutable)：即對象一旦被創(chuàng)建初始化后，它們的值就不能被改變，之后的每次改變都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新對象。

復(fù)制代碼代碼如下:

var str="mushroomsir";

str.Substring(0, 6)

c#中的string是不可變的，Substring(0, 6)返回的是一個(gè)新字符串值，而原字符串在共享域中是不變的。另外一個(gè)StringBuilder是可變的，這也是推薦使用StringBuilder的原因。

復(fù)制代碼代碼如下:

var age=18;

當(dāng)存儲(chǔ)值18的內(nèi)存分配給age變量時(shí)，它的內(nèi)存值也是不可以被修改的。

復(fù)制代碼代碼如下:

age=2;

此時(shí)會(huì)在棧中開辟新值2賦值給age變量，而不能改變18這個(gè)內(nèi)存里的值，int在c#中也是不可變的。

復(fù)制代碼代碼如下:

class Contact

{ 

    public string Name { get;  set; }

    public string Address { get;  set; }

    public Contact(string contactName, string contactAddress)

    {

        Name = contactName;

        Address = contactAddress;               

    }

}

   var mutable = new Contact("二毛", "清華");

   mutable.Name = "大毛";

   mutable.Address = "北大";

我們實(shí)例化MutableContact賦值給mutable，隨后我們可以修改MutableContact對象內(nèi)部字段值，它已經(jīng)不是初始后的值，可稱為可變(mutable)對象。

可變對象在多線程并發(fā)中共享，是存在一些問題的。多線程下A線程賦值到 Name = "大毛" 這一步，其他的線程有可能讀取到的數(shù)據(jù)就是：

復(fù)制代碼代碼如下:

  mutable.Name == "大毛";

  mutable.Address == "清華";

很明顯這樣數(shù)據(jù)完整性就不能保障，也有稱數(shù)據(jù)撕裂。我們把可變對象更改為不可變對象如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

public class Contact2

{

    public string Name { get; private set; }

    public string Address { get; private set; }

    private Contact2(string contactName, string contactAddress)

    {

        Name = contactName;

        Address = contactAddress;               

    }

    public static Contact2 CreateContact(string name, string address)

    {

        return new Contact2(name, address);

    }

}

使用時(shí)只能通過Contact2的構(gòu)造函數(shù)來初始化Name和Address字段。Contact2此時(shí)即為不可變對象，因?yàn)閷ο蟊旧硎莻€(gè)不可變整體。通過使用不可變對象可以不用擔(dān)心數(shù)據(jù)完整性，也能保證數(shù)據(jù)安全性，不會(huì)被其他線程修改。

自定義不可變集合

我們?nèi)ッ杜e可變集合時(shí)，出于線程安全的考慮我們往往需要進(jìn)行加鎖處理，防止該集合在其他線程被修改，而使用不可變集合則能避免這個(gè)問題。我們平常使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是采用可變模式來實(shí)現(xiàn)的，那怎么實(shí)現(xiàn)一個(gè)不可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呢！以棧來示例，具體代碼如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

public interface IStack<T> : IEnumerable<T>

{

    IStack<T> Push(T value);

    IStack<T> Pop();

    T Peek();

    bool IsEmpty { get; }

}

public sealed class Stack<T> : IStack<T>

{

    private sealed class EmptyStack : IStack<T>

    {

        public bool IsEmpty { get { return true; } }

        public T Peek() { throw new Exception("Empty stack"); }

        public IStack<T> Push(T value) { return new Stack<T>(value, this); }

        public IStack<T> Pop() { throw new Exception("Empty stack"); }

        public IEnumerator<T> GetEnumerator() { yield break; }

        IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() { return this.GetEnumerator(); }

    }

    private static readonly EmptyStack empty = new EmptyStack();

    public static IStack<T> Empty { get { return empty; } }

    private readonly T head;

    private readonly IStack<T> tail;

    private Stack(T head, IStack<T> tail)

    {

        this.head = head;

        this.tail = tail;

    }

    public bool IsEmpty { get { return false; } }

    public T Peek() { return head; }

    public IStack<T> Pop() { return tail; }

    public IStack<T> Push(T value) { return new Stack<T>(value, this); }

    public IEnumerator<T> GetEnumerator()

    {

        for (IStack<T> stack = this; !stack.IsEmpty; stack = stack.Pop())

            yield return stack.Peek();

    }

    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() { return this.GetEnumerator(); }

}

1.入棧時(shí)會(huì)實(shí)例化一個(gè)新棧對象
2.將新值通過構(gòu)造函數(shù)傳入，并存放在新對象Head位置，舊棧對象放在在Tail位置引用
3.出棧時(shí)返回當(dāng)前棧對象的Tail引用的棧對象

使用方法如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

IStack<int> s1 = Stack<int>.Empty;

IStack<int> s2 = s1.Push(10);

IStack<int> s3 = s2.Push(20);

IStack<int> s4 = s3.Push(30);

IStack<int> v3 = s4.Pop();

foreach (var item in s4)

{

//dosomething

}

每次Push都是一個(gè)新對象，舊對象不可修改，這樣在枚舉集合就不需要擔(dān)心其他線程修改了。

Net提供的不可變集合

不可變隊(duì)列，不可變列表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如果都自己實(shí)現(xiàn)工作量確實(shí)有點(diǎn)大。幸好的是Net在4.5版本已經(jīng)提供了不可變集合的基礎(chǔ)類庫。使用Nuget安裝：

復(fù)制代碼代碼如下:

Install-Package Microsoft.Bcl.Immutable

使用如下，和上面我們自定義的幾乎一樣：

復(fù)制代碼代碼如下:

 ImmutableStack<int> a1 = ImmutableStack<int>.Empty;

        ImmutableStack<int> a2 = a1.Push(10);

        ImmutableStack<int> a3 = a2.Push(20);

        ImmutableStack<int> a4 = a3.Push(30);

        ImmutableStack<int> iv3 = a4.Pop();

使用Net不可變列表集合有一點(diǎn)要注意的是，當(dāng)我們Push值時(shí)要重新賦值給原變量才正確，因?yàn)閜ush后會(huì)生成一個(gè)新對象，原a1只是舊值：

復(fù)制代碼代碼如下:

   ImmutableStack<int> a1 = ImmutableStack<int>.Empty;

   a1.Push(10); //不正確，a1仍是空值值，push會(huì)生成新的棧。

   a1 = a1.Push(10); //需要將新棧重新賦值給a1

NET提供的常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.ImmutableStack
2.ImmutableQueue
3.ImmutableList
4.ImmutableHashSet
5.ImmutableSortedSet
6.ImmutableDictionary<K, V>
7.ImmutableSortedDictionary<K, V>

不可變集合和可變集合在算法復(fù)雜度上的不同：

不可變優(yōu)點(diǎn)

1.集合共享安全，從不被改變
2.訪問集合時(shí)，不需要鎖集合（線程安全）
3.修改集合不擔(dān)心舊集合被改變
4.書寫更簡潔，函數(shù)式風(fēng)格。 var list = ImmutableList.Empty.Add(10).Add(20).Add(30);
5.保證數(shù)據(jù)完整性，安全性

不可變對象缺點(diǎn)

不可變本身的優(yōu)點(diǎn)即是缺點(diǎn)，當(dāng)每次對象/集合操作都會(huì)返回個(gè)新值。而舊值依舊會(huì)保留一段時(shí)間，這會(huì)使內(nèi)存有極大開銷，也會(huì)給GC造成回收負(fù)擔(dān)，性能也比可變集合差的多。

跟string和StringBuild一樣，Net提供的不可變集合也增加了批量操作的API，用來避免大量創(chuàng)建對象：

復(fù)制代碼代碼如下:

ImmutableList<string> immutable = ImmutableList<string>.Empty;

        //轉(zhuǎn)換成可批量操作的集合

        var immutable2 = immutable.ToBuilder();

        immutable2.Add("xx");

        immutable2.Add("xxx");

        //還原成不可變集合

        immutable = immutable2.ToImmutable();

我們來對比下可變集合、不可變Builder集合、不可變集合的性能，添加新對象1000W次：

比較代碼如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

private static void List()
        {
            var list = new List<object>();
            var sp = Stopwatch.StartNew();

            for (int i = 0; i < 1000 * 10000; i++)
            {
                var obj = new object();
                list.Add(obj);
            }
            Console.WriteLine("可變列表集合:"+sp.Elapsed);
        }

        private static void BuilderImmutableList()
        {
            var list = ImmutableList<object>.Empty;
            var sp = Stopwatch.StartNew();
            var blist= list.ToBuilder();
            for (int i = 0; i < 1000 * 10000; i++)
            {
                var obj = new object();
                blist.Add(obj);
            }
            list=blist.ToImmutable();

            Console.WriteLine("不可變Builder列表集合:"+sp.Elapsed);
        }
        private static void ImmutableList()
        {
            var list = ImmutableList<object>.Empty;
            var sp = Stopwatch.StartNew();

            for (int i = 0; i < 1000 * 10000; i++)
            {
                var obj = new object();
                list = list.Add(obj);
            }

Console.WriteLine("不可變列表集合:" + sp.Elapsed);
}

另外一個(gè)缺點(diǎn)比較有趣，也有不少人忽略。由于string的不可變特性，所以當(dāng)我們使用string在保存敏感信息時(shí)，就需要特別注意。
比如密碼 var pwd="mushroomsir"，此時(shí)密碼會(huì)以明文存儲(chǔ)在內(nèi)存中，也許你稍后會(huì)加密置空等，但這都是會(huì)生成新值的。而明文會(huì)長時(shí)間存儲(chǔ)在共享域內(nèi)存中，任何能拿到dump文件的人都可以看到明文，增加了密碼被竊取的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然這不是一個(gè)新問題，net2.0提供的有SecureString來進(jìn)行安全存儲(chǔ)，使用時(shí)進(jìn)行恢復(fù)及清理。

復(fù)制代碼代碼如下:

IntPtr addr = Marshal.SecureStringToBSTR(secureString);

string temp = Marshal.PtrToStringBSTR(addr);

Marshal.ZeroFreeBSTR(addr);

WriteProcessMemory(...)

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