Immutable 详解及 React 中实践

Immutable data

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:

Immutable 原理动画

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 CollectionListMapSetRecordSeq。有非常全面的mapfiltergroupByreduce`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.keyarray.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.MapImmutable.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 hashCodevalueOf(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 moricortex 等,因为类似就不再介绍。

与 Object.freeze、const 区别

ES6 中新加入的 Object.freezeconst 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 ===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:

import { is } from 'immutable';
shouldComponentUpdate: (nextProps, nextState) => {
  return !(this.props === nextProps || is(this.props, nextProps)) ||
         !(this.state === nextState || is(this.state, nextState));
}

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:

react reconciliation

你也可以借助 React.addons.PureRenderMixin 或支持 class 语法的 pure-render-decorator 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 Markbåge 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。

资源

原文发于知乎,会持续更新,更多内容请关注我们的专栏

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