探索c#之不可变数据类型

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不可变对象
自定义不可变集合
Net提供的不可变集合
不可变优点
不可变对象缺点

不可变对象

不可变(immutable)：即对象一旦被创建初始化后，它们的值就不能被改变，之后的每次改变都会产生一个新对象。

var str="mushroomsir";

str.Substring(, )

c#中的string是不可变的，Substring(0, 6)返回的是一个新字符串值，而原字符串在共享域中是不变的。另外一个StringBuilder是可变的，这也是推荐使用StringBuilder的原因。

var age=;

当存储值18的内存分配给age变量时，它的内存值也是不可以被修改的。

age=;

此时会在栈中开辟新值2赋值给age变量，而不能改变18这个内存里的值，int在c#中也是不可变的。

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", "清华");

   mutable.Name = "大毛";

   mutable.Address = "北大";

我们实例化MutableContact赋值给mutable，随后我们可以修改MutableContact对象内部字段值，它已经不是初始后的值，可称为可变(mutable)对象。

可变对象在多线程并发中共享，是存在一些问题的。多线程下A线程赋值到 Name = "大毛" 这一步，其他的线程有可能读取到的数据就是：

  mutable.Name == "大毛";

  mutable.Address == "清华";

很明显这样数据完整性就不能保障，也有称数据撕裂。我们把可变对象更改为不可变对象如下：

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);

    }

}

使用时只能通过Contact2的构造函数来初始化Name和Address字段。Contact2此时即为不可变对象，因为对象本身是个不可变整体。通过使用不可变对象可以不用担心数据完整性，也能保证数据安全性，不会被其他线程修改。

自定义不可变集合

我们去枚举可变集合时，出于线程安全的考虑我们往往需要进行加锁处理，防止该集合在其他线程被修改，而使用不可变集合则能避免这个问题。我们平常使用的数据结构都是采用可变模式来实现的，那怎么实现一个不可变数据结构呢！以栈来示例，具体代码如下：

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(); }

}

入栈时会实例化一个新栈对象
将新值通过构造函数传入，并存放在新对象Head位置，旧栈对象放在在Tail位置引用
出栈时返回当前栈对象的Tail引用的栈对象

使用方法如下：

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

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

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

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

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

foreach (var item in s4)

{

//dosomething

}

每次Push都是一个新对象，旧对象不可修改，这样在枚举集合就不需要担心其他线程修改了。

Net提供的不可变集合

不可变队列，不可变列表等数据结构如果都自己实现工作量确实有点大。幸好的是Net在4.5版本已经提供了不可变集合的基础类库。使用Nuget安装：

Install-Package Microsoft.Bcl.Immutable

使用如下，和上面我们自定义的几乎一样：

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

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

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

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

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

使用Net不可变列表集合有一点要注意的是，当我们Push值时要重新赋值给原变量才正确，因为push后会生成一个新对象，原a1只是旧值：

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

   a1.Push(); //不正确，a1仍是空值值，push会生成新的栈。

   a1 = a1.Push(); //需要将新栈重新赋值给a1

NET提供的常用数据结构

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

不可变集合和可变集合在算法复杂度上的不同：

不可变优点

集合共享安全，从不被改变
访问集合时，不需要锁集合（线程安全）
修改集合不担心旧集合被改变
书写更简洁，函数式风格。 var list = ImmutableList.Empty.Add(10).Add(20).Add(30);
保证数据完整性，安全性

不可变对象缺点

不可变本身的优点即是缺点，当每次对象/集合操作都会返回个新值。而旧值依旧会保留一段时间，这会使内存有极大开销，也会给GC造成回收负担，性能也比可变集合差的多。

跟string和StringBuild一样，Net提供的不可变集合也增加了批量操作的API，用来避免大量创建对象：

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

        //转换成可批量操作的集合

        var immutable2 = immutable.ToBuilder();

        immutable2.Add("xx");

        immutable2.Add("xxx");

        //还原成不可变集合

        immutable = immutable2.ToImmutable();

我们来对比下可变集合、不可变Builder集合、不可变集合的性能，添加新对象1000W次：

比较代码如下：

   private static void List()

        {

            var list = new List<object>();

            var sp = Stopwatch.StartNew();

            for (int i = ; i <  * ; i++)

            {

                var obj = new object();

                list.Add(obj);

            }

            Console.WriteLine("可变列表集合:"+sp.Elapsed);

        }

        private static void BuilderImmutableList()

        {

            var list = ImmutableList<object>.Empty;

            var sp = Stopwatch.StartNew();

            var blist= list.ToBuilder();

            for (int i = ; i <  * ; i++)

            {

                var obj = new object();

                blist.Add(obj);

            }

            list=blist.ToImmutable();

            Console.WriteLine("不可变Builder列表集合:"+sp.Elapsed);

        }

        private static void ImmutableList()

        {

            var list = ImmutableList<object>.Empty;

            var sp = Stopwatch.StartNew();

            for (int i = ; i <  * ; i++)

            {

                var obj = new object();

                list = list.Add(obj);

            }

            Console.WriteLine("不可变列表集合:" + sp.Elapsed);

        }

另外一个缺点比较有趣，也有不少人忽略。由于string的不可变特性，所以当我们使用string在保存敏感信息时，就需要特别注意。
比如密码 var pwd="mushroomsir"，此时密码会以明文存储在内存中，也许你稍后会加密置空等，但这都是会生成新值的。而明文会长时间存储在共享域内存中，任何能拿到dump文件的人都可以看到明文，增加了密码被窃取的风险。当然这不是一个新问题，net2.0提供的有SecureString来进行安全存储，使用时进行恢复及清理。

IntPtr addr = Marshal.SecureStringToBSTR(secureString);

string temp = Marshal.PtrToStringBSTR(addr);

Marshal.ZeroFreeBSTR(addr);

WriteProcessMemory(...)