C#中的不可變數(shù)據(jù)類(lèi)型介紹（不可變對(duì)象、不可變集合）
不可變對(duì)象
不可變(immutable)： 即對(duì)象一旦被創(chuàng)建初始化后，它們的值就不能被改變，之后的每次改變都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新對(duì)象。
var str="mushroomsir";
str.Substring(0, 6)
c#中的string是不可變的，Substring(0, 6)返回的是一個(gè)新字符串值，而原字符串在共享域中是不變的。另外一個(gè)StringBuilder是可變的，這也是推薦使用StringBuilder的原因。
var age=18;
當(dāng)存儲(chǔ)值18的內(nèi)存分配給age變量時(shí)，它的內(nèi)存值也是不可以被修改的。
age=2;
此時(shí)會(huì)在棧中開(kāi)辟新值2賦值給age變量，而不能改變18這個(gè)內(nèi)存里的值，int在c#中也是不可變的。
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", "清華");
mutable.Name = "大毛";
mutable.Address = "北大";
我們實(shí)例化MutableContact賦值給mutable，隨后我們可以修改MutableContact對(duì)象內(nèi)部字段值，它已經(jīng)不是初始后的值，可稱(chēng)為可變(mutable)對(duì)象。
可變對(duì)象在多線程并發(fā)中共享，是存在一些問(wèn)題的。多線程下A線程賦值到 Name = "大毛" 這一步，其他的線程有可能讀取到的數(shù)據(jù)就是：
mutable.Name == "大毛";
mutable.Address == "清華";
很明顯這樣數(shù)據(jù)完整性就不能保障，也有稱(chēng)數(shù)據(jù)撕裂。我們把可變對(duì)象更改為不可變對(duì)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);
}
}
使用時(shí)只能通過(guò)Contact2的構(gòu)造函數(shù)來(lái)初始化Name和Address字段。Contact2此時(shí)即為不可變對(duì)象，因?yàn)閷?duì)象本身是個(gè)不可變整體。通過(guò)使用不可變對(duì)象可以不用擔(dān)心數(shù)據(jù)完整性，也能保證數(shù)據(jù)安全性，不會(huì)被其他線程修改。
自定義不可變集合
我們?nèi)ッ杜e可變集合時(shí)，出于線程安全的考慮我們往往需要進(jìn)行加鎖處理，防止該集合在其他線程被修改，而使用不可變集合則能避免這個(gè)問(wèn)題。我們平常使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是采用可變模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，那怎么實(shí)現(xiàn)一個(gè)不可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呢！以棧來(lái)示例，具體代碼如下：
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(); }
}
1.入棧時(shí)會(huì)實(shí)例化一個(gè)新棧對(duì)象
2.將新值通過(guò)構(gòu)造函數(shù)傳入，并存放在新對(duì)象Head位置，舊棧對(duì)象放在在Tail位置引用
3.出棧時(shí)返回當(dāng)前棧對(duì)象的Tail引用的棧對(duì)象
使用方法如下：
IStack<int> s1 = Stack<int>.Empty;
IStack<int> s2 = s1.Push(10);
IStack<int> s3 = s2.Push(20);
IStack<int> s4 = s3.Push(30);
IStack<int> v3 = s4.Pop();
foreach (var item in s4)
{
//dosomething
}
每次Push都是一個(gè)新對(duì)象，舊對(duì)象不可修改，這樣在枚舉集合就不需要擔(dān)心其他線程修改了。
Net提供的不可變集合
不可變隊(duì)列，不可變列表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如果都自己實(shí)現(xiàn)工作量確實(shí)有點(diǎn)大。幸好的是Net在4.5版本已經(jīng)提供了不可變集合的基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)。 使用Nuget安裝：
Install-Package Microsoft.Bcl.Immutable
使用如下，和上面我們自定義的幾乎一樣：
ImmutableStack<int> a1 = ImmutableStack<int>.Empty;
ImmutableStack<int> a2 = a1.Push(10);
ImmutableStack<int> a3 = a2.Push(20);
ImmutableStack<int> a4 = a3.Push(30);
ImmutableStack<int> iv3 = a4.Pop();
使用Net不可變列表集合有一點(diǎn)要注意的是，當(dāng)我們Push值時(shí)要重新賦值給原變量才正確，因?yàn)閜ush后會(huì)生成一個(gè)新對(duì)象，原a1只是舊值：
ImmutableStack<int> a1 = ImmutableStack<int>.Empty;
a1.Push(10); //不正確，a1仍是空值值，push會(huì)生成新的棧。
a1 = a1.Push(10); //需要將新棧重新賦值給a1
NET提供的常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
1.ImmutableStack
2.ImmutableQueue
3.ImmutableList
4.ImmutableHashSet
5.ImmutableSortedSet
6.ImmutableDictionary<K, V>
7.ImmutableSortedDictionary<K, V>
不可變集合和可變集合在算法復(fù)雜度上的不同：
不可變優(yōu)點(diǎn)
1.集合共享安全，從不被改變
2.訪問(wèn)集合時(shí)，不需要鎖集合（線程安全）
3.修改集合不擔(dān)心舊集合被改變
4.書(shū)寫(xiě)更簡(jiǎn)潔，函數(shù)式風(fēng)格。 var list = ImmutableList.Empty.Add(10).Add(20).Add(30);
5.保證數(shù)據(jù)完整性，安全性
不可變對(duì)象缺點(diǎn)
不可變本身的優(yōu)點(diǎn)即是缺點(diǎn)，當(dāng)每次對(duì)象/集合操作都會(huì)返回個(gè)新值。而舊值依舊會(huì)保留一段時(shí)間，這會(huì)使內(nèi)存有極大開(kāi)銷(xiāo)，也會(huì)給GC造成回收負(fù)擔(dān)，性能也比可變集合差的多。
跟string和StringBuild一樣，Net提供的不可變集合也增加了批量操作的API，用來(lái)避免大量創(chuàng)建對(duì)象：
ImmutableList<string> immutable = ImmutableList<string>.Empty;
//轉(zhuǎn)換成可批量操作的集合
var immutable2 = immutable.ToBuilder();
immutable2.Add("xx");
immutable2.Add("xxx");
//還原成不可變集合
immutable = immutable2.ToImmutable();
我們來(lái)對(duì)比下可變集合、不可變Builder集合、不可變集合的性能，添加新對(duì)象1000W次：
比較代碼如下：
private static void List()
{
var list = new List<object>();
var sp = Stopwatch.StartNew();
for (int i = 0; i < 1000 * 10000; i++)
{
var obj = new object();
list.Add(obj);
}
Console.WriteLine("可變列表集合:"+sp.Elapsed);
}
private static void BuilderImmutableList()
{
var list = ImmutableList<object>.Empty;
var sp = Stopwatch.StartNew();
var blist= list.ToBuilder();
for (int i = 0; i < 1000 * 10000; i++)
{
var obj = new object();
blist.Add(obj);
}
list=blist.ToImmutable();
Console.WriteLine("不可變Builder列表集合:"+sp.Elapsed);
}
private static void ImmutableList()
{
var list = ImmutableList<object>.Empty;
var sp = Stopwatch.StartNew();
for (int i = 0; i < 1000 * 10000; i++)
{
var obj = new object();
list = list.Add(obj);
}
Console.WriteLine("不可變列表集合:" + sp.Elapsed);
}
另外一個(gè)缺點(diǎn)比較有趣，也有不少人忽略。 由于string的不可變特性，所以當(dāng)我們使用string在保存敏感信息時(shí)，就需要特別注意。
比如密碼 var pwd="mushroomsir"，此時(shí)密碼會(huì)以明文存儲(chǔ)在內(nèi)存中，也許你稍后會(huì)加密置空等，但這都是會(huì)生成新值的。而明文會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)在共享域內(nèi)存中，任何能拿到dump文件的人都可以看到明文，增加了密碼被竊取的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然這不是一個(gè)新問(wèn)題，net2.0提供的有SecureString來(lái)進(jìn)行安全存儲(chǔ)，使用時(shí)進(jìn)行恢復(fù)及清理。
IntPtr addr = Marshal.SecureStringToBSTR(secureString);
string temp = Marshal.PtrToStringBSTR(addr);
Marshal.ZeroFreeBSTR(addr);
WriteProcessMemory(...)
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