Immutable 详解

Posted 2020-08-25 这个男人来自三体

Shared mutable state is the root of all evil（共享的可变状态是万恶之源）

-- Pete Hunt

有人说 Immutable 可以给 React 应用带来数十倍的提升，也有人说 Immutable 的引入是近期 javascript 中伟大的发明，因为同期 React 太火，它的光芒被掩盖了。这些至少说明 Immutable 是很有价值的，下面我们来一探究竟。

JavaScript 中的对象一般是可变的（Mutable），因为使用了引用赋值，新的对象简单的引用了原始对象，改变新的对象将影响到原始对象。如 foo={a: 1}; bar=foo; bar.a=2 你会发现此时 foo.a 也被改成了 2。虽然这样做可以节约内存，但当应用复杂后，这就造成了非常大的隐患，Mutable 带来的优点变得得不偿失。为了解决这个问题，一般的做法是使用 shallowCopy（浅拷贝）或 deepCopy（深拷贝）来避免被修改，但这样做造成了 CPU 和内存的浪费。

Immutable 可以很好地解决这些问题。

什么是 Immutable Data

Immutable Data 就是一旦创建，就不能再被更改的数据。对 Immutable 对象的任何修改或添加删除操作都会返回一个新的 Immutable 对象。Immutable 实现的原理是 Persistent Data Structure（持久化数据结构），也就是使用旧数据创建新数据时，要保证旧数据同时可用且不变。同时为了避免 deepCopy 把所有节点都复制一遍带来的性能损耗，Immutable 使用了 Structural Sharing（结构共享），即如果对象树中一个节点发生变化，只修改这个节点和受它影响的父节点，其它节点则进行共享。请看下面动画：

目前流行的 Immutable 库有两个：

immutable.js

Facebook 工程师 Lee Byron 花费 3 年时间打造，与 React 同期出现，但没有被默认放到 React 工具集里（React 提供了简化的 Helper）。它内部实现了一套完整的 Persistent Data Structure，还有很多易用的数据类型。像 Collection、List、Map、Set、Record、Seq。有非常全面的map、filter、groupBy、reduce``find函数式操作方法。同时 API 也尽量与 Object 或 Array 类似。

其中有 3 种最重要的数据结构说明一下：（Java 程序员应该最熟悉了）

• Map：键值对集合，对应于 Object，ES6 也有专门的 Map 对象
• List：有序可重复的列表，对应于 Array
• Set：无序且不可重复的列表

seamless-immutable

与 Immutable.js 学院派的风格不同，seamless-immutable 并没有实现完整的 Persistent Data Structure，而是使用 Object.defineProperty（因此只能在 IE9 及以上使用）扩展了 JavaScript 的 Array 和 Object 对象来实现，只支持 Array 和 Object 两种数据类型，API 基于与 Array 和 Object 操持不变。代码库非常小，压缩后下载只有 2K。而 Immutable.js 压缩后下载有 16K。

下面上代码来感受一下两者的不同：

// 原来的写法
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 赋值
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 赋值
console.log(foo.a.b);  // 像原生 Object 一样取值，打印 1
console.log(foo === bar);  //  打印 false

Immutable 优点

1. Immutable 降低了 Mutable 带来的复杂度

可变（Mutable）数据耦合了 Time 和 Value 的概念，造成了数据很难被回溯。

比如下面一段代码：

function touchAndLog(touchFn) {
  let data = { key: ‘value‘ };
  touchFn(data);
  console.log(data.key); // 猜猜会打印什么？
}

在不查看 touchFn 的代码的情况下，因为不确定它对 data 做了什么，你是不可能知道会打印什么（这不是废话吗）。但如果 data 是 Immutable 的呢，你可以很肯定的知道打印的是 value。

2. 节省内存

Immutable.js 使用了 Structure Sharing 会尽量复用内存，甚至以前使用的对象也可以再次被复用。没有被引用的对象会被垃圾回收。

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 共享了没有变化的 filter 节点。

3. Undo/Redo，Copy/Paste，甚至时间旅行这些功能做起来小菜一碟

因为每次数据都是不一样的，只要把这些数据放到一个数组里储存起来，想回退到哪里就拿出对应数据即可，很容易开发出撤销重做这种功能。

后面我会提供 Flux 做 Undo 的示例。

4. 并发安全

传统的并发非常难做，因为要处理各种数据不一致问题，因此『聪明人』发明了各种锁来解决。但使用了 Immutable 之后，数据天生是不可变的，并发锁就不需要了。

然而现在并没什么卵用，因为 JavaScript 还是单线程运行的啊。但未来可能会加入，提前解决未来的问题不也挺好吗？

5. 拥抱函数式编程

Immutable 本身就是函数式编程中的概念，纯函数式编程比面向对象更适用于前端开发。因为只要输入一致，输出必然一致，这样开发的组件更易于调试和组装。

像 ClojureScript，Elm 等函数式编程语言中的数据类型天生都是 Immutable 的，这也是为什么 ClojureScript 基于 React 的框架 --- Om 性能比 React 还要好的原因。

Immutable 缺点

1. 需要学习新的 API

No Comments

2. 增加了资源文件大小

No Comments

3. 容易与原生对象混淆

这点是我们使用 Immutable.js 过程中遇到最大的问题。写代码要做思维上的转变。

虽然 Immutable.js 尽量尝试把 API 设计的原生对象类似，有的时候还是很难区别到底是 Immutable 对象还是原生对象，容易混淆操作。

Immutable 中的 Map 和 List 虽对应原生 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 每次修改都会返回新对象，也很容易忘记赋值。

当使用外部库的时候，一般需要使用原生对象，也很容易忘记转换。

下面给出一些办法来避免类似问题发生：

1. 使用 Flow 或 TypeScript 这类有静态类型检查的工具
2. 约定变量命名规则：如所有 Immutable 类型对象以 $$ 开头。
3. 使用 Immutable.fromJS 而不是 Immutable.Map 或 Immutable.List 来创建对象，这样可以避免 Immutable 和原生对象间的混用。

更多认识

Immutable.is

两个 immutable 对象可以使用 === 来比较，这样是直接比较内存地址，性能最好。但即使两个对象的值是一样的，也会返回 false：

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

为了直接比较对象的值，immutable.js 提供了 Immutable.is 来做『值比较』，结果如下：

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

Immutable.is 比较的是两个对象的 hashCode 或 valueOf（对于 JavaScript 对象）。由于 immutable 内部使用了 Trie 数据结构来存储，只要两个对象的 hashCode 相等，值就是一样的。这样的算法避免了深度遍历比较，性能非常好。

后面会使用 Immutable.is 来减少 React 重复渲染，提高性能。

另外，还有 mori、cortex 等，因为类似就不再介绍。

与 Object.freeze、const 区别

Object.freeze 和 ES6 中新加入的 const 都可以达到防止对象被篡改的功能，但它们是 shallowCopy 的。对象层级一深就要特殊处理了。

Cursor 的概念

这个 Cursor 和数据库中的游标是完全不同的概念。

由于 Immutable 数据一般嵌套非常深，为了便于访问深层数据，Cursor 提供了可以直接访问这个深层数据的引用。

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

let data = Immutable.fromJS({ a: { b: { c: 1 } } });
// 让 cursor 指向 { c: 1 }
let cursor = Cursor.from(data, [‘a‘, ‘b‘], newData => {
  // 当 cursor 或其子 cursor 执行 update 时调用
  console.log(newData);
});

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

实践

与 React 搭配使用，Pure Render

熟悉 React 的都知道，React 做性能优化时有一个避免重复渲染的大招，就是使用 shouldComponentUpdate()，但它默认返回 true，即始终会执行 render() 方法，然后做 Virtual DOM 比较，并得出是否需要做真实 DOM 更新，这里往往会带来很多无必要的渲染并成为性能瓶颈。

当然我们也可以在 shouldComponentUpdate() 中使用使用 deepCopy 和 deepCompare 来避免无必要的 render()，但 deepCopy 和 deepCompare 一般都是非常耗性能的。

Immutable 则提供了简洁高效的判断数据是否变化的方法，只需 === 和 is 比较就能知道是否需要执行 render()，而这个操作几乎 0 成本，所以可以极大提高性能。修改后的 shouldComponentUpdate 是这样的：

注意：React 中规定 state 和 props 只能是一个普通对象，所以比较时要比较对象的 key，谢谢 @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，如下图，当红色节点的 state 变化后，不会再渲染树中的所有节点，而是只渲染图中绿色的部分：

你也可以借助 React.addons.PureRenderMixin 或支持 class 语法的 [pure-render-decorator](felixgirault/pure-render-decorator · GitHub) 来实现。

setState 的一个技巧

React 建议把 this.state 当作 Immutable 的，因此修改前需要做一个 deepCopy，显得麻烦：

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，下面打印的结果会是已经加 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) });
    // 这时的 times 并不会改变
    console.log(this.state.data.get(‘times‘));
  }

上面的 handleAdd 可以简写成：

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

与 Flux 搭配使用

由于 Flux 并没有限定 Store 中数据的类型，使用 Immutable 非常简单。

现在是实现一个类似带有添加和撤销功能的 Store：

import { Map, OrderedMap } from ‘immutable‘;
let todos = OrderedMap();
let history = [];  // 普通数组，存放每次操作后产生的数据

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

Dispatcher.register(action => {
  if (action.actionType === ‘create‘) {
    let id = createGUID();
    history.push(todos);  // 记录当前操作前的数据，便于撤销
    todos = todos.set(id, Map({
      id: id,
      complete: false,
      text: action.text.trim()
    }));
    TodoStore.emitChange();
  } else if (action.actionType === ‘undo‘) {
    // 这里是撤销功能实现，
    // 只需从 history 数组中取前一次 todos 即可
    if (history.length > 0) {
      todos = history.pop();
    }
    TodoStore.emitChange();
  }
});

与 Redux 搭配使用

Redux 是目前流行的 Flux 衍生库。它简化了 Flux 中多个 Store 的概念，只有一个 Store，数据操作通过 Reducer 中实现；同时它提供更简洁和清晰的单向数据流（View -> Action -> Middleware -> Reducer），也更易于开发同构应用。目前已经在我们项目中大规模使用。

由于 Redux 中内置的 combineReducers 和 reducer 中的 initialState 都为原生的 Object 对象，所以不能和 Immutable 原生搭配使用。

幸运的是，Redux 并不排斥使用 Immutable，可以自己重写 combineReducers 或使用 redux-immutablejs 来提供支持。

上面我们提到 Cursor 可以方便检索和 update 层级比较深的数据，但因为 Redux 中已经有了 select 来做检索，Action 来更新数据，因此 Cursor 在这里就没有用武之地了。

总结

Immutable 可以给应用带来极大的性能提升，但是否使用还要看项目情况。由于侵入性较强，新项目引入比较容易，老项目迁移需要评估迁移。对于一些提供给外部使用的公共组件，最好不要把 Immutable 对象直接暴露在对外接口中。

如果 JS 原生 Immutable 类型会不会太美，被称为 React API 终结者的 Sebastian Markb?ge 有一个这样的提案，能否通过现在还不确定。不过可以肯定的是 Immutable 会被越来越多的项目使用。