轉(zhuǎn)自 IMMUTABLE 詳解

Shared mutable state is the root of all evil（共享的可變狀態(tài)是萬惡之源）

-- Pete Hunt

有人說 Immutable 可以給 React 應(yīng)用帶來數(shù)十倍的提升，也有人說 Immutable 的引入是近期 JavaScript 中偉大的發(fā)明，因為同期 React 太火，它的光芒被掩蓋了。這些至少說明 Immutable 是很有價值的，下面我們來一探究竟。

JavaScript 中的對象一般是可變的（Mutable），因為使用了引用賦值，新的對象簡單的引用了原始對象，改變新的對象將影響到原始對象。如 foo={a: 1}; bar=foo; bar.a=2 你會發(fā)現(xiàn)此時 foo.a 也被改成了 2。雖然這樣做可以節(jié)約內(nèi)存，但當(dāng)應(yīng)用復(fù)雜后，這就造成了非常大的隱患，Mutable 帶來的優(yōu)點變得得不償失。為了解決這個問題，一般的做法是使用 shallowCopy（淺拷貝）或 deepCopy（深拷貝）來避免被修改，但這樣做造成了 CPU 和內(nèi)存的浪費。

Immutable 可以很好地解決這些問題。

什么是 IMMUTABLE DATA

Immutable Data 就是一旦創(chuàng)建，就不能再被更改的數(shù)據(jù)。對 Immutable 對象的任何修改或添加刪除操作都會返回一個新的 Immutable 對象。Immutable 實現(xiàn)的原理是 Persistent Data Structure（持久化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），也就是使用舊數(shù)據(jù)創(chuàng)建新數(shù)據(jù)時，要保證舊數(shù)據(jù)同時可用且不變。同時為了避免 deepCopy 把所有節(jié)點都復(fù)制一遍帶來的性能損耗，Immutable 使用了 Structural Sharing（結(jié)構(gòu)共享），即如果對象樹中一個節(jié)點發(fā)生變化，只修改這個節(jié)點和受它影響的父節(jié)點，其它節(jié)點則進行共享。請看下面動畫：

Immutable 原理動畫

目前流行的 Immutable 庫有兩個：

immutable.js

Facebook 工程師 Lee Byron 花費 3 年時間打造，與 React 同期出現(xiàn)，但沒有被默認放到 React 工具集里（React 提供了簡化的 Helper）。它內(nèi)部實現(xiàn)了一套完整的 Persistent Data Structure，還有很多易用的數(shù)據(jù)類型。像 Collection、List、Map、Set、Record、Seq。有非常全面的map、filter、groupBy、reduce``find函數(shù)式操作方法。同時 API 也盡量與 Object 或 Array 類似。

其中有 3 種最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明一下：（Java 程序員應(yīng)該最熟悉了）

• Map：鍵值對集合，對應(yīng)于 Object，ES6 也有專門的 Map 對象
• List：有序可重復(fù)的列表，對應(yīng)于 Array
• Set：無序且不可重復(fù)的列表

seamless-immutable

與 Immutable.js 學(xué)院派的風(fēng)格不同，seamless-immutable 并沒有實現(xiàn)完整的 Persistent Data Structure，而是使用 Object.defineProperty（因此只能在 IE9 及以上使用）擴展了 JavaScript 的 Array 和 Object 對象來實現(xiàn)，只支持 Array 和 Object 兩種數(shù)據(jù)類型，API 基于與 Array 和 Object 操持不變。代碼庫非常小，壓縮后下載只有 2K。而 Immutable.js 壓縮后下載有 16K。

下面上代碼來感受一下兩者的不同：

// 原來的寫法
let foo = {a: {b: 1}};
let bar = foo;
bar.a.b = 2;
console.log(foo.a.b);  // 打印 2
console.log(foo === bar);  //  打印 true

// 使用 immutable.js 后
import Immutable from 'immutable';
foo = Immutable.fromJS({a: {b: 1}});
bar = foo.setIn(['a', 'b'], 2);   // 使用 setIn 賦值
console.log(foo.getIn(['a', 'b']));  // 使用 getIn 取值，打印 1
console.log(foo === bar);  //  打印 false

// 使用  seamless-immutable.js 后
import SImmutable from 'seamless-immutable';
foo = SImmutable({a: {b: 1}})
bar = foo.merge({a: { b: 2}})   // 使用 merge 賦值
console.log(foo.a.b);  // 像原生 Object 一樣取值，打印 1
console.log(foo === bar);  //  打印 false

IMMUTABLE 優(yōu)點

1. Immutable 降低了 Mutable 帶來的復(fù)雜度

可變（Mutable）數(shù)據(jù)耦合了 Time 和 Value 的概念，造成了數(shù)據(jù)很難被回溯。

比如下面一段代碼：

function touchAndLog(touchFn) {
  let data = { key: 'value' };
  touchFn(data);
  console.log(data.key); // 猜猜會打印什么？
}

在不查看 touchFn 的代碼的情況下，因為不確定它對 data 做了什么，你是不可能知道會打印什么（這不是廢話嗎）。但如果 data 是 Immutable 的呢，你可以很肯定的知道打印的是 value。

2. 節(jié)省內(nèi)存

Immutable.js 使用了 Structure Sharing 會盡量復(fù)用內(nèi)存，甚至以前使用的對象也可以再次被復(fù)用。沒有被引用的對象會被垃圾回收。

import { Map} from 'immutable';
let a = Map({
  select: 'users',
  filter: Map({ name: 'Cam' })
})
let b = a.set('select', 'people');

a === b; // false
a.get('filter') === b.get('filter'); // true

上面 a 和 b 共享了沒有變化的 filter 節(jié)點。

3. Undo/Redo，Copy/Paste，甚至?xí)r間旅行這些功能做起來小菜一碟

因為每次數(shù)據(jù)都是不一樣的，只要把這些數(shù)據(jù)放到一個數(shù)組里儲存起來，想回退到哪里就拿出對應(yīng)數(shù)據(jù)即可，很容易開發(fā)出撤銷重做這種功能。

后面我會提供 Flux 做 Undo 的示例。

4. 并發(fā)安全

傳統(tǒng)的并發(fā)非常難做，因為要處理各種數(shù)據(jù)不一致問題，因此『聰明人』發(fā)明了各種鎖來解決。但使用了 Immutable 之后，數(shù)據(jù)天生是不可變的，并發(fā)鎖就不需要了。

然而現(xiàn)在并沒什么卵用，因為 JavaScript 還是單線程運行的啊。但未來可能會加入，提前解決未來的問題不也挺好嗎？

5. 擁抱函數(shù)式編程

Immutable 本身就是函數(shù)式編程中的概念，純函數(shù)式編程比面向?qū)ο蟾m用于前端開發(fā)。因為只要輸入一致，輸出必然一致，這樣開發(fā)的組件更易于調(diào)試和組裝。

像 ClojureScript，Elm 等函數(shù)式編程語言中的數(shù)據(jù)類型天生都是 Immutable 的，這也是為什么 ClojureScript 基于 React 的框架 --- Om 性能比 React 還要好的原因。

IMMUTABLE 缺點

1. 需要學(xué)習(xí)新的 API

No Comments

2. 增加了資源文件大小

No Comments

3. 容易與原生對象混淆

這點是我們使用 Immutable.js 過程中遇到最大的問題。寫代碼要做思維上的轉(zhuǎn)變。

雖然 Immutable.js 盡量嘗試把 API 設(shè)計的原生對象類似，有的時候還是很難區(qū)別到底是 Immutable 對象還是原生對象，容易混淆操作。

Immutable 中的 Map 和 List 雖對應(yīng)原生 Object 和 Array，但操作非常不同，比如你要用 map.get('key')而不是 map.key，array.get(0) 而不是 array[0]。另外 Immutable 每次修改都會返回新對象，也很容易忘記賦值。

當(dāng)使用外部庫的時候，一般需要使用原生對象，也很容易忘記轉(zhuǎn)換。

下面給出一些辦法來避免類似問題發(fā)生：

1. 使用 Flow 或 TypeScript 這類有靜態(tài)類型檢查的工具
2. 約定變量命名規(guī)則：如所有 Immutable 類型對象以 $$ 開頭。
3. 使用 Immutable.fromJS 而不是 Immutable.Map 或 Immutable.List 來創(chuàng)建對象，這樣可以避免 Immutable 和原生對象間的混用。

更多認識

Immutable.is

兩個 immutable 對象可以使用 === 來比較，這樣是直接比較內(nèi)存地址，性能最好。但即使兩個對象的值是一樣的，也會返回 false：

let map1 = Immutable.Map({a:1, b:1, c:1});
let map2 = Immutable.Map({a:1, b:1, c:1});
map1 === map2;             // false

為了直接比較對象的值，immutable.js 提供了 Immutable.is 來做『值比較』，結(jié)果如下：

Immutable.is(map1, map2);  // true

Immutable.is 比較的是兩個對象的 hashCode 或 valueOf（對于 JavaScript 對象）。由于 immutable 內(nèi)部使用了 Trie 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲，只要兩個對象的 hashCode 相等，值就是一樣的。這樣的算法避免了深度遍歷比較，性能非常好。

后面會使用 Immutable.is 來減少 React 重復(fù)渲染，提高性能。

另外，還有 mori、cortex 等，因為類似就不再介紹。

與 Object.freeze、const 區(qū)別

Object.freeze 和 ES6 中新加入的 const 都可以達到防止對象被篡改的功能，但它們是 shallowCopy 的。對象層級一深就要特殊處理了。

Cursor 的概念

這個 Cursor 和數(shù)據(jù)庫中的游標(biāo)是完全不同的概念。

由于 Immutable 數(shù)據(jù)一般嵌套非常深，為了便于訪問深層數(shù)據(jù)，Cursor 提供了可以直接訪問這個深層數(shù)據(jù)的引用。

import Immutable from 'immutable';
import Cursor from 'immutable/contrib/cursor';

let data = Immutable.fromJS({ a: { b: { c: 1 } } });
// 讓 cursor 指向 { c: 1 }
let cursor = Cursor.from(data, ['a', 'b'], newData => {
  // 當(dāng) cursor 或其子 cursor 執(zhí)行 update 時調(diào)用
  console.log(newData);
});

cursor.get('c'); // 1
cursor = cursor.update('c', x => x + 1);
cursor.get('c'); // 2

實踐

與 React 搭配使用，Pure Render

熟悉 React 的都知道，React 做性能優(yōu)化時有一個避免重復(fù)渲染的大招，就是使用 shouldComponentUpdate()，但它默認返回 true，即始終會執(zhí)行 render() 方法，然后做 Virtual DOM 比較，并得出是否需要做真實 DOM 更新，這里往往會帶來很多無必要的渲染并成為性能瓶頸。

當(dāng)然我們也可以在 shouldComponentUpdate() 中使用使用 deepCopy 和 deepCompare 來避免無必要的 render()，但 deepCopy 和 deepCompare 一般都是非常耗性能的。

Immutable 則提供了簡潔高效的判斷數(shù)據(jù)是否變化的方法，只需 === 和 is 比較就能知道是否需要執(zhí)行 render()，而這個操作幾乎 0 成本，所以可以極大提高性能。修改后的 shouldComponentUpdate 是這樣的：

注意：React 中規(guī)定 state 和 props 只能是一個普通對象，所以比較時要比較對象的 key，謝謝 @chenmnkken 指正。

import { is } from 'immutable';

shouldComponentUpdate: (nextProps = {}, nextState = {}) => {
  const thisProps = this.props || {}, thisState = this.state || {};

  if (Object.keys(thisProps).length !== Object.keys(nextProps).length ||
      Object.keys(thisState).length !== Object.keys(nextState).length) {
    return true;
  }

  for (const key in nextProps) {
    if (!is(thisProps[key], nextProps[key])) {
      return true;
    }
  }

  for (const key in nextState) {
    if (thisState[key] !== nextState[key] || !is(thisState[key], nextState[key])) {
      return true;
    }
  }
  return false;
}

使用 Immutable 后，如下圖，當(dāng)紅色節(jié)點的 state 變化后，不會再渲染樹中的所有節(jié)點，而是只渲染圖中綠色的部分：

react reconciliation

你也可以借助 React.addons.PureRenderMixin 或支持 class 語法的 [pure-render-decorator](felixgirault/pure-render-decorator · GitHub) 來實現(xiàn)。

setState 的一個技巧

React 建議把 this.state 當(dāng)作 Immutable 的，因此修改前需要做一個 deepCopy，顯得麻煩：

import '_' from 'lodash';

const Component = React.createClass({
  getInitialState() {
    return {
      data: { times: 0 }
    }
  },
  handleAdd() {
    let data = _.cloneDeep(this.state.data);
    data.times = data.times + 1;
    this.setState({ data: data });
    // 如果上面不做 cloneDeep，下面打印的結(jié)果會是已經(jīng)加 1 后的值。
    console.log(this.state.data.times);
  }
}

使用 Immutable 后：

  getInitialState() {
    return {
      data: Map({ times: 0 })
    }
  },
  handleAdd() {
    this.setState({ data: this.state.data.update('times', v => v + 1) });
    // 這時的 times 并不會改變
    console.log(this.state.data.get('times'));
  }

上面的 handleAdd 可以簡寫成：

  handleAdd() {
    this.setState(({data}) => ({
      data: data.update('times', v => v + 1) })
    });
  }

與 Flux 搭配使用

由于 Flux 并沒有限定 Store 中數(shù)據(jù)的類型，使用 Immutable 非常簡單。

現(xiàn)在是實現(xiàn)一個類似帶有添加和撤銷功能的 Store：

import { Map, OrderedMap } from 'immutable';
let todos = OrderedMap();
let history = [];  // 普通數(shù)組，存放每次操作后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)

let TodoStore = createStore({
  getAll() { return todos; }
});

Dispatcher.register(action => {
  if (action.actionType === 'create') {
    let id = createGUID();
    history.push(todos);  // 記錄當(dāng)前操作前的數(shù)據(jù)，便于撤銷
    todos = todos.set(id, Map({
      id: id,
      complete: false,
      text: action.text.trim()
    }));
    TodoStore.emitChange();
  } else if (action.actionType === 'undo') {
    // 這里是撤銷功能實現(xiàn)，
    // 只需從 history 數(shù)組中取前一次 todos 即可
    if (history.length > 0) {
      todos = history.pop();
    }
    TodoStore.emitChange();
  }
});

與 Redux 搭配使用

Redux 是目前流行的 Flux 衍生庫。它簡化了 Flux 中多個 Store 的概念，只有一個 Store，數(shù)據(jù)操作通過 Reducer 中實現(xiàn)；同時它提供更簡潔和清晰的單向數(shù)據(jù)流（View -> Action -> Middleware -> Reducer），也更易于開發(fā)同構(gòu)應(yīng)用。目前已經(jīng)在我們項目中大規(guī)模使用。

由于 Redux 中內(nèi)置的 combineReducers 和 reducer 中的 initialState 都為原生的 Object 對象，所以不能和 Immutable 原生搭配使用。

幸運的是，Redux 并不排斥使用 Immutable，可以自己重寫 combineReducers 或使用 redux-immutablejs 來提供支持。

上面我們提到 Cursor 可以方便檢索和 update 層級比較深的數(shù)據(jù)，但因為 Redux 中已經(jīng)有了 select 來做檢索，Action 來更新數(shù)據(jù)，因此 Cursor 在這里就沒有用武之地了。

總結(jié)

Immutable 可以給應(yīng)用帶來極大的性能提升，但是否使用還要看項目情況。由于侵入性較強，新項目引入比較容易，老項目遷移需要評估遷移。對于一些提供給外部使用的公共組件，最好不要把 Immutable 對象直接暴露在對外接口中。

如果 JS 原生 Immutable 類型會不會太美，被稱為 React API 終結(jié)者的 Sebastian Markb?ge 有一個這樣的提案，能否通過現(xiàn)在還不確定。不過可以肯定的是 Immutable 會被越來越多的項目使用。