C#中的不可变数据类型介绍(不可变对象、不可变集合)
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。
var str="mushroomsir";
str.substring(0, 6)
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。
var age=18;
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。
age=2;
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。
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", "清华");
mutable.name = "大毛";
mutable.address = "北大";
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*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:
mutable.name == "大毛";
mutable.address == "清华";
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:
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:
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.入栈时会实例化一个新栈对象
2.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
3.出栈时返回当前栈对象的tail引用的栈对象
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:
install-package microsoft.bcl.immutable
使用如下,和上面我们自定义的几乎一样:
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:
immutablestack<int> a1 = immutablestack<int>.empty;
a1.push(10); //不正确,a1仍是空值值,push会生成新的栈。
a1 = a1.push(10); //需要将新栈重新赋值给a1
net提供的常用数据结构
1.immutablestack
2.immutablequeue
3.immutablelist
4.immutablehashset
5.immutablesortedset
6.immutabledictionary<k, v>
7.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
1.集合共享安全,从不被改变
2.访问集合时,不需要锁集合(线程安全)
3.修改集合不担心旧集合被改变
4.书写更简洁,函数式风格。 var list = immutablelist.empty.add(10).add(20).add(30);
5.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:
immutablelist<string> immutable = immutablelist<string>.empty;
//转换成可批量操作的集合
var immutable2 = immutable.tobuilder();
immutable2.add("xx");
immutable2.add("xxx");
//还原成不可变集合
immutable = immutable2.toimmutable();
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:
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("可变列表集合:"+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("不可变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("不可变列表集合:" + sp.elapsed);
}
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。
intptr addr = marshal.securestringtobstr(securestring);
string temp = marshal.ptrtostringbstr(addr);
marshal.zerofreebstr(addr);
writeprocessmemory(...)
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