探索c#之不可變資料類型

標籤：

閱讀目錄:

1. 不可變對象
2. 自訂不可變集合
3. Net提供的不可變集合
4. 不可變優點
5. 不可變對象缺點

不可變對象

不可變(immutable)： 即對象一旦被建立初始化後，它們的值就不能被改變，之後的每次改變都會產生一個新對象。

var str="mushroomsir";str.Substring(0, 6)

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

var age=18; 

當儲存值18的記憶體配置給age變數時，它的記憶體值也是不可以被修改的。

age=2;

此時會在棧中開闢新值2賦值給age變數，而不能改變18這個記憶體裡的值，int在c#中也是不可變的。

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";

我們執行個體化MutableContact賦值給mutable，隨後我們可以修改MutableContact對象內部欄位值，它已經不是初始後的值，可稱為可變(mutable)對象。

可變對象在多線程並發中共用，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資料就是：

  mutable.Name == "大毛";  mutable.Address == "清華";

很明顯這樣資料完整性就不能保障，也有稱資料撕裂。我們把可變對象更改為不可變對象如下：

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);    }}

使用時只能通過Contact2的建構函式來初始化Name和Address欄位。Contact2此時即為不可變對象，因為對象本身是個不可變整體。通過使用不可變對象可以不用擔心資料完整性，也能保證資料安全性，不會被其他線程修改。

自訂不可變集合

我們去枚舉可變集合時，出於安全執行緒的考慮我們往往需要進行加鎖處理，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問題。我們平常使用的資料結構都是採用可變模式來實現的，那怎麼實現一個不可變資料結構呢！以棧來樣本，具體代碼如下：

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(); }}

View Code

• 入棧時會執行個體化一個新棧對象
• 將新值通過建構函式傳入，並存放在新對象Head位置，舊棧對象放在在Tail位置引用
• 出棧時返回當前棧對象的Tail引用的棧對象

使用方法如下：

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都是一個新對象，舊對象不可修改，這樣在枚舉集合就不需要擔心其他線程修改了。

Net提供的不可變集合

不可變隊列，不可變列表等資料結構如果都自己實現工作量確實有點大。幸好的是Net在4.5版本已經提供了不可變集合的基礎類庫。 使用Nuget安裝：

Install-Package Microsoft.Bcl.Immutable

使用如下，和上面我們自訂的幾乎一樣：

        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要注意的是，當我們Push值時要重新賦值給原變數才正確，因為push後會產生一個新對象，原a1隻是舊值：

   ImmutableStack<int> a1 = ImmutableStack<int>.Empty;   a1.Push(10); //不正確，a1仍是空值值，push會產生新的棧。   a1 = a1.Push(10); //需要將新棧重新賦值給a1

NET提供的常用資料結構

• ImmutableStack
• ImmutableQueue
• ImmutableList
• ImmutableHashSet
• ImmutableSortedSet
• ImmutableDictionary<K, V>
• ImmutableSortedDictionary<K, V>

不可變集合和可變集合在演算法複雜度上的不同：

不可變優點

• 集合共用安全，從不被改變
• 訪問集合時，不需要鎖集合（安全執行緒）
• 修改集合不擔心舊集合被改變
• 書寫更簡潔，函數式風格。 var list = ImmutableList.Empty.Add(10).Add(20).Add(30);
• 保證資料完整性，安全性

不可變對象缺點

不可變本身的優點即是缺點，當每次對象/集合操作都會返回個新值。而舊值依舊會保留一段時間，這會使記憶體有極大開銷，也會給GC造成回收負擔，效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大量操作的API，用來避免大量建立對象：

     ImmutableList<string> immutable = ImmutableList<string>.Empty;        //轉換成可大量操作的集合        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、不可變集合的效能，添加新對象1000W次：

比較代碼如下：

   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);        }

View Code

另外一個缺點比較有趣，也有不少人忽略。 由於string的不可變特性，所以當我們使用string在儲存敏感資訊時，就需要特別注意。
比如密碼 var pwd="mushroomsir"，此時密碼會以明文儲存在記憶體中，也許你稍後會加密置空等，但這都是會產生新值的。而明文會長時間儲存在共用域記憶體中，任何能拿到dump檔案的人都可以看到明文，增加了密碼被竊取的風險。當然這不是一個新問題，net2.0提供的有SecureString來進行安全儲存，使用時進行恢複及清理。

IntPtr addr = Marshal.SecureStringToBSTR(secureString);string temp = Marshal.PtrToStringBSTR(addr);Marshal.ZeroFreeBSTR(addr);WriteProcessMemory(...)

 

探索c#之不可變資料類型