探索c#之不可变数据类型

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。

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。

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。

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。

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:

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:

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:

 

  • 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:

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:

使用如下,和上面我们自定义的几乎一样:

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:

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:

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:

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。

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