不可变数据结构（immutable data）

[sunyongjian]

不可变数据

引入

我是通过使用 React 才去关注 immutable data 这个概念的。事实上，你去搜 immutable 的 JS 相关文章，也基本都是近两年的，大概是随着 React 的推广才备受关注。但是这篇文章不会去介绍 React 是如何在意 immutable data 的，而是从原生 JS，写一些自己的思考。

可变/不可变对象

可变对象是一个可在其创建后修改状态的对象，而不可变对象则是创建之后，不能再修改状态，对其任何删改操作，都应返回一个新的对象。

一个例子开始：

var x = {
    a: 1
}
var y = x;
x.a = 2;
console.log(y); //{ a: 2 }

这在我们刚开始学 js 的时候就知道了，js 中的对象都是参考（reference）类型，x = y 是对象赋值引用，两者共用一个对象的空间，所以 x 改动了，y 自然也改变。

数组也是一样的：

var ary = [1, 2, 3];
var list = ary;
ary.push(4);
console.log(list); // [1, 2, 3, 4]

在 JS 中，objects, arrays，functions, classes, sets, maps 都是可变数据。
不过字符串和数字就不会。

var str = 'hello world';
var sub = str;
str = str.slice(0, 5);
console.log(sub); // 'hello world'

var a = 1;
var b = a;
a += 2;
console.log(b); // 1

像这样，sub = str，b = a 的赋值操作，都不会影响之前的数据。

为什么要有不可变数据

首先，不可变数据类型是源于函数式编程中的，是一条必备的准则。函数式对数据处理的时候，通过把问题抽象成一个个的纯函数，每个纯函数的操作都会返回新的数据类型，都不会影响之前的数据，保证了变量/参数的不可变性，增加代码可读性。

另外，js 中对象可变的好处可能是为了节约内存，相比字符串、数字，它承载的数据量更大更多，不可变带来每次操作都要产生新的对象，新的数据结构，这与 js 设计之初用来做网页中表单验证等简单操作是有悖的。而且，我们最开始也确实感受到可变带来的便捷，但是反之它带来的副作用远超过这种便捷，程序越大代码的可读性，复杂度也越来越高。

举一个栗子：

const data = {
  name: 'syj',
  age: 24,
  hobby: 'girl',
  location: 'beijing'
}
// 有一个改变年龄的方法
function addAge(obj) {
    obj.age += 1;
    return obj;
}

// 一个改变地址的方法
function changeLocation(obj, v) {
    obj.location = v;
    return obj;
}

// 这两个方法我期待的是得到只改变想改变的属性的 data
console.log(addAge(data));
console.log(changeLocation(obj, 'shanghai'));

但实际上 addAge 已经把原始数据 data 改变了，当我再去使用的时候，已经是被污染的数据。这个栗子其实没有那么的典型，因为没有结合业务，但是也可以说明一些问题，就是可变数据带来的不确定影响。这两个函数都是有“副作用”的，即对传入数据做了修改，当你调用两次 addAge，得到的却是两个完全不同的结果，这显然不是我们想要的。如果遵循不可变数据的原则，每次对原始数据结构的修改、操作，都返回新的数据结构，就不会出现这种情况。关于返回新的数据结构，就需要用到数据拷贝。

数据拷贝

之前 y = x 这样的操作，显然是无法完成数据拷贝的，这只是赋值引用，为了避免这种对象间的赋值引用，我们应该更多的使用 const 定义数据对象，去避免这种操作。
而我们要给新对象（数据）创建一个新的引用，也就是需要数据拷贝。然而对象的数据结构通常是不同的（嵌套程度等），在数据拷贝的时候，需要考虑到这个问题，如果对象是深层次的

比较一下 JS 中几种原生的拷贝方法，了解他们能实现的程度。

Object.assign

像这样：

const x = { a: 1 };

const y = Object.assign({}, x);
x.a = 11;
console.log(y); // { a: 1 }

诚然，此次对 y 的赋值，再去改变 x.a 的时候，y.a 并没有发生变化，保持了不变性。你以为就这么简单吗？看另一个栗子：

const x = { a: 1, b: { c: 2 } };

const y = Object.assign({}, x);

x.b.c = 22;

console.log(y); // { a: 1, b: { c: 22}}

对 x 的操作，使 y.b.c 也变成了 22。为什么？因为 Object.assign 是浅拷贝，也就是它只会赋值对象第一层的 kv，而当第一层的 value 出现 object/array 的时候，它还是会做赋值引用操作，即 x，y 的 b 共用一个 {c: 2} 的地址。还有几个方法也是这样的。

Object.freeze

const x = { a: 1, b: { c: 2 } };
const y = Object.freeze(x);
x.a = 11;
console.log(y);

x.b.c = 22;

console.log(y); // { a: 1, b: { c: 22}}

freeze，看起来是真的“冻结”了，不可变了，其实效果是一样的，为了效率，做的浅拷贝。

deconstruction 解构

const x = { a: 1, b: { c: 2 } };
const y = { ...x };
x.a = 11;
console.log(y);

x.b.c = 22;

console.log(y);

es6 中的新方法，解构。数组也一样：

const x = [1, 2, [3, 4]];
const y = [...x];
x[2][0] = 33;
console.log(y); // [1, 2, [33, 4]]

同样是浅拷贝。

JS 原生对象的方法，是没有给我们提供深拷贝功能的。

deep-clone

如何去做深拷贝

• 原生

拿上面的栗子来说，我们去实现深拷贝。

const x = { a: 1, b: { c: 2 } };
const y = Object.assign({}, x, {
  b: Object.assign({}, x.b)
})

x.b.c = 22;

console.log(y); // { a: 1, b: { c: 2 } }

不过这只是嵌套不多的时候，而更深层次的，就需要更复杂的操作了。实际上，deep-clone 确实没有一个统一的方法，需要考虑的地方挺多，比如效率，以及是否应用场景（是否每次都需要 deep-clone）。还有在 js 中，还要加上 hasOwnProperty 这样的判断。写个简单的方法：

function clone(obj) {
  // 类型判断。 isActiveClone 用来防止重复 clone，效率问题。
  if (obj === null || typeof obj !== 'object' || 'isActiveClone' in obj) {
    return obj;
  }

  //可能是 Date 对象
  const result = obj instanceof Date ? new Date(obj) : {};

  for (const key in obj) {
    if (Object.prototype.hasOwnProperty.call(obj, key)) {
      obj['isActiveClone'] = null;
      result[key] = clone(obj[key]);
      delete obj['isActiveClone'];
    }
  }

  return result;
}

var x = {
  a: 1,
  b: 2,
  c: {
    d: 3
  }
}
console.log(clone(x));

• JSON
  最简单，偷懒的一种方式，JSON 的序列化再反序列化。

const y = JSON.parse(JSON.stringify(x));

普通的 string，number，object，array 都是可以做深拷贝的。不过这个方法比较偷懒，是存在坑的，比如不支持 NaN，正则，function 等。举个栗子：

const x = {
  a: function() {
    console.log('aaa')
  },
  b: NaN,
}

const y = JSON.parse(JSON.stringify(x));
console.log(y.b);
y.a()

试一下就知道了。

• Library
  通常实现 deep-clone 的库：lodash，$.extend(true, )... 目前最好用的是 immutable.js。 关于 immutable 的常用用法，之后会整理一下。

数据持久化

不变性可以让数据持久化变得容易。当数据不可变的时候，我们的每次操作，都不会引起初始数据的改变。也就是说在一定时期内，这些数据是永久存在的，而你可以通过读取，实现类似于“回退/切换快照”般的操作。这是我们从函数式编程来简单理解这个概念，而不涉及硬盘存储或者数据库存储的概念。

首先，无论数据结构的深浅，每次操作都对整个数据结构进行完整的深拷贝，效率会很低。这就牵扯到在做数据拷贝的时候，利用数据结构，做一些优化。例如，我们可以观察某次操作，到底有没有引起深层次数据结构的变化，如果没有，我们是不是可以只做部分改变，而没变化的地方，还是可以共用的。这就是部分持久化。我知道的 immutable 就是这么做的，两个不可变数据是会共用某部分的。

思考

• js 的对象天生是可变的？

  我觉得作者应该是设计之初就把 js 作为一种灵活性较高的语言去做的，而不可变数据涉及到数据拷贝的算法问题，深拷贝是可以实现的，但是如何最优、效率最高的实现拷贝，并保持数据不可变。这个地方是可以继续研究的。

• 为什么不可变数据的热度越来越高？

  随着 js 应用的场景越来越多，业务场景也越来越复杂，一些早就沉淀下来的编程思维，也被引入 js 中，像 MVC，函数式等等。经典的编程思想，设计模式永远都是不过时的，而不可变数据结构也是如此。而我觉得真正让它受关注的，还是 React 的推出，因为 React 内部就是通过 state/props 比较（===）去判断是否 render 的，三个等号的比较就要求新的 state 必须是新的引用。另外 Redux 在 React 中的广泛应用，也让函数式编程火热，而函数式编程最重要的原则之一就是不可变数据，所以你在使用
  Redux 的时候，改变 store 必须返回新的 state。所以，React-Redux 全家桶，让 immutable data 备受关注，而 immutable，就是目前最好的实现方案。

最后

之后会探究 immutable data 在 React 中的重要性，包括 diff，re-render，redux。自然而然也可以总结出这方面的 React 性能优化。