[转] Immutable 详解及 React 中实践
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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：
> 擦，费了好大劲做了个 Gif 动画，竟然被强制转成了静态图，请移步 http://img.alicdn.com/tps/i2/TB1zzi_KXXXXXctXFXXbrb8OVXX-613-575.gif 观看
目前流行的 Immutable 库有两个：
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 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
2. 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。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。
使用 Immutable 的缺点
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：
- 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 和原生对象间的混用。
更多认识
1. 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。
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。
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.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
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：
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 (thisProps[key] !== nextProps[key] || ！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 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) })
});
}
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()
}));
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();
}
});
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。
