Immutable 详解及 React 中实践

蛋烘糕

2019-12-18

蛋烘糕

2019-12-18

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）来比米娜被修改，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。

1. 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），即如果对象书中一个节点发生变化，只修改这个节点和受影响的父节点，其他节点则进行共享。请看下面的动画：目前流行的 Immutable 库有两个：

1.1 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 重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

1.2 seamless-immutable

与 Immutable.js 学院派的风格不同，seamless-immutable 并没有实现完成的 Persistent Data Structure，而是使用Object.defineProperty（因此只有在 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 保持不变。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 } };
lef bar = boo;
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 } });
boo = 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

2. Immutable 优点

2.1 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); // 这里打印的数据会根据touchFn的处理发生变化
}

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。但如果 data是 Immutable 的呢，你可以很肯定的知道打印的是 value。

2.2 节省内存

Immutable.js 使用了 Structure Sharing 会尽量复用内存。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。

2.3 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存储起来，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。

2.4 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的问题，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。然而现在并没有什么卵用，因为 JavaScript 还是单项城运行的。但未来可能会加入，提前解决未来的问题不是挺好的吗？

2.5 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，这是因为什么 ClojureScript 基于 React 的框架 -- Om 性能比 React 还要好的原因。

3. 使用 Immutable 的缺点

需要学习新的 API

No Comments

增加了资源文件大小

No Comments

容易对原生对象混淆

这点事我们使用 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 虽然对应原生 Object 和 Array，但操作非常不同，比如你要用 map.get('key') 而不是map.key, arr.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：

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

4. 更多认识

4.1 Immutable.js

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 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。

4.2 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。

4.3 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.froomJS({ 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

5. 实践

5.1 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 deepCopy 和 deepCompare 来避免吴彪要的 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：

immport { is }  from 'immutable';
shouldComponentUpdate (nextProps = {}, nextState = {}) {
    const thisProps = this.props || {}, thisState = this.state || {};

    if (Object.keys(thisProps).length !== Object.keys(nextProps).length ||
        Object.keys(thisProps).length !== Object.keys(nextProps).length
    ){
        return true;
    }

    for (const key in nextProps) {
        if (thisProps[key] !== nextProps[key] || !is(thisProps[key], nextProps[key])) {
            return true;
        }
    }

    for (const key in nextProps) {
        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，不会再渲染树种的所有节点，而是只渲图中绿色的部分：你也可以借助 React.addons.PureRenderMixin 或支持 class 语法的 pure-render-decorator 来实现。

5.1.1 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.updata('times', v => v + 1)
    }))
}

5.2 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(), // 注: trim() 方法是去掉字符串前后空格的方法
      })
    );
    TodoStore.emitChange();
  } else if (action.actionType === "undo") {
    // 这里是撤销功能实现，
    // 只需要从 history 数组中取一次 todos 即可
    if (history.length > 0) {
      todos = history.pop();
    }
    TodoStore.emitChange();
  }
});

5.3 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；同时它提供了更简洁和清晰的单项数据流（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。

6. 总结

Immutable 可以给应用带来极大的性能提升，但是否使用还是要看项目情况。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 Sebastion Markbage 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。（完）参考来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/20295971

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