Immutable（不可变）集合

不可变集合，顾名思义就是说集合是不可被修改的。集合的数据项是在创建的时候提供，并且在整个生命周期中都不可改变。

为什么要用immutable对象？immutable对象有以下的优点：

1. 对不可靠的客户代码库来说，它使用安全，可以在未受信任的类库中安全的使用这些对象
2. 线程安全的：immutable对象在多线程下安全，没有竞态条件
3. 不需要支持可变性, 可以尽量节省空间和时间的开销. 所有的不可变集合实现都比可变集合更加有效的利用内存 (analysis)
4. 可以被使用为一个常量，并且期望在未来也是保持不变的

immutable对象可以很自然地用作常量，因为它们天生就是不可变的对于immutable对象的运用来说，它是一个很好的防御编程（defensive programming）的技术实践。

微软.NET团队已经正式发布了不可变集合，可以通过Nuget添加，包括了下面的不可变集合：

System.Collections.Immutable.ImmutableArray

System.Collections.Immutable.ImmutableArray<T>

System.Collections.Immutable.ImmutableDictionary

System.Collections.Immutable.ImmutableDictionary<TKey,TValue>

System.Collections.Immutable.ImmutableHashSet

System.Collections.Immutable.ImmutableHashSet<T>

System.Collections.Immutable.ImmutableList

System.Collections.Immutable.ImmutableList<T>

System.Collections.Immutable.ImmutableQueue

System.Collections.Immutable.ImmutableQueue<T>

System.Collections.Immutable.ImmutableSortedDictionary

System.Collections.Immutable.ImmutableSortedDictionary<TKey,TValue>

System.Collections.Immutable.ImmutableSortedSet

System.Collections.Immutable.ImmutableSortedSet<T>

System.Collections.Immutable.ImmutableStack

System.Collections.Immutable.ImmutableStack<T>

MSDN的文档参考 https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.collections.immutable.aspx ，怎么使用呢？我们来看一个例子，假设你已经建立了一个计费系统，你需要一个不可变的设计，在多线程操作的情况下不需要担心数据损坏。例如，你需要通过一个辅助线程打印数据的一个快照，这种方式避免阻塞用户的编辑操作，允许用户继续编辑而不影响打印。

可变的数据模型是这样：

class Order
{
    public Order()
    {
        Lines = new List<OrderLine>();
    }

public List<OrderLine> Lines { get; private set; }
}

class OrderLine
{
    public int Quantity { get; set; }
    public decimal UnitPrice { get; set; }
    public float Discount { get; set; }

public decimal Total
    {
        get
        {
         return Quantity * UnitPrice * (decimal) (1.0f - Discount);
        }
    }
}

下面我们把它转换为不可变的设计：

class OrderLine
{
    public OrderLine(int quantity, decimal unitPrice, float discount)
    {
        Quantity = quantity;
        UnitPrice = unitPrice;
        Discount = discount;
    }

public int Quantity { get; private set; }

public decimal UnitPrice { get; private set; }

public float Discount { get; private set; }

public decimal Total
    {
        get
        {
         return Quantity * UnitPrice * (decimal) (1.0f - Discount);
        }
    }
}

这种新设计要求您创建一个订单，每当任何属性值变化创建一个新实例。您可以通过添加 WithXxx 方法，使您可以更新单个属性而无需显式调用构造函数:

class OrderLine
{
    // ...

public OrderLine WithQuantity(int value)
    {
        return value == Quantity
                ? this
                : new OrderLine(value, UnitPrice, Discount);
    }

public OrderLine WithUnitPrice(decimal value)
    {
        return value == UnitPrice
                ? this
                : new OrderLine(Quantity, value, Discount);
    }

public OrderLine WithDiscount(float value)
    {
        return value == Discount
                ? this
                : new OrderLine(Quantity, UnitPrice, value);
    }
}

这使得不可变使用起来比较简单：

OrderLine apple = new OrderLine(quantity: 1, unitPrice: 2.5m, discount: 0.0f);

OrderLine discountedAppled = apple.WithDiscount(.3f);

现在让我们看看我们如何落实订单的不变性。Lines 属性已经是只读的但它指的是可变对象。因为它是一个集合，它可以容易地通过简单地将它替换 ImmutableList <T>转换:

class Order
{
    public Order(IEnumerable<OrderLine> lines)
    {
        Lines = lines.ToImmutableList();
    }

public ImmutableList<OrderLine> Lines { get; private set; }

public Order WithLines(IEnumerable<OrderLine> value)
    {
        return Object.ReferenceEquals(Lines, value)
            ? this
            : new Order(value);
    }
}

这种设计有一些有趣的属性:

• 该构造函数接受 IEnumerable <T>，允许传递任何集合中。

• 我们使用 ToImmutableList() 扩展方法，将转换为 ImmutableList <OrderLine>。如果该实例已经是不可变的列表，它会简单地转换而不是创建一个新的集合。

• 该 WithLines() 方法遵循 我们的订单公约，如果新的列表和当前列表是相同的就可以避免创建一个新的实例。

我们还可以加一些便利的方法来使它更易于更新订单行:

class Order
{
    //...

public Order AddLine(OrderLine value)
    {
        return WithLines(Lines.Add(value));
    }

public Order RemoveLine(OrderLine value)
    {
        return WithLines(Lines.Remove(value));
    }

public Order ReplaceLine(OrderLine oldValue, OrderLine newValue)
    {
        return oldValue == newValue
                ? this
                : WithLines(Lines.Replace(oldValue, newValue));
    }
}

增补订单的代码看起来是这样子：

OrderLine apple = new OrderLine(quantity: 1, unitPrice: 2.5m, discount: 0.0f);
Order order = new Order(ImmutableList.Create(apple));

OrderLine discountedApple = apple.WithDiscount(discount);
Order discountedOrder = order.ReplaceLine(apple, discountedApple);

这种设计的好处是，它尽可能避免了不必要的对象创建。例如，当折扣的值等于 0.0 f，即时没有折扣,，discountedApple 和 discountedOrder 引用现有实例的苹果和订单。

这是因为:

1.apple.WithDiscount() 将返回苹果的现有实例，因为新的折扣是相同折扣属性的当前值。

2.order.ReplaceLine() 如果两个参数都相同，将返回现有实例。

我们不变的集合其他操作遵循这种最大化重用。例如，将订单行添加到 1000 的订单行的订单与 1,001 订单行不会创建整个的新列表。相反，它将重用现有列表一大块。这是可能的因为列表内部结构是为一棵树，允许共享不同实例的节点。

这里有两个视频介绍可变性集合：

Immutable Collections for .NET

Inner workings of immutable collections

不可变集合的系列博客推荐：

Exploring the .NET CoreFX Part 9: Immutable Collections and the Builder

Exploring the .NET CoreFX Part 13: ImmutableList is an AVL Tree

Exploring the .NET CoreFX Part 14: Inside Immutable Collections