从JS对象开始，谈一谈“不可变数据”和函数式编程

摘要：下面，我就从基本对象说起，聊一聊不可变数据和的一切。可变和共享是万恶之源不可变数据其实是函数式编程相关的重要概念。相对的，函数式编程中认为可变性是万恶之源。针对于此，我推荐一款已经大名鼎鼎的类库来处理不可变数据。

作为前端开发者，你会感受到JS中对象(Object)这个概念的强大。我们说“JS中一切皆对象”。最核心的特性，例如从String，到数组，再到浏览器的APIs，“对象”这个概念无处不在。在这里你可以了解到JS Objects中的一切。

同时，随着React的强势崛起，不管你有没有关注过这个框架，也一定听说过一个概念—不可变数据(immutable.js)。究竟什么是不可变数据？这篇文章会从JS源头—对象谈起，让你逐渐了解这个函数式编程里的重要概念。

JS中的对象是那么美妙：我们可以随意复制他们，改变并删除他们的某项属性等。但是要记住一句话：

“伴随着特权，随之而来的是更大的责任。”
(With great power comes great responsibility)

的确，JS Objects里概念太多了，我们切不可随意使用对象。下面，我就从基本对象说起，聊一聊不可变数据和JS的一切。

这篇文章缘起于Daniel Leite在2017年3月16日的新鲜出炉文章：Things you should know about Objects and Immutability in JavaScript，我进行了大致翻译并进行大范围“改造”，同时改写了用到的例子，进行了大量更多的扩展。

不可变数据其实是函数式编程相关的重要概念。相对的，函数式编程中认为可变性是万恶之源。但是，为什么会有这样的结论呢？

这个问题可能很多程序员都会有。其实，如果你的代码逻辑可变，不要惊慌，这并不是“政治错误”的。比如JS中的数组操作，很对都会对原数组进行直接改变，这当然并没有什么问题。比如：

let arr = [1, 2, 3, 4, 5];
arr.splice(1, 1); // 返回[2];
console.log(arr); // [1, 3, 4, 5];

这是我们常用的“删除数组某一项”的操作。好吧，他一点问题也没有。

问题其实出现在“滥用”可变性上，这样会给你的程序带来“副作用”。先不必关心什么是“副作用”，他又是一个函数式编程的概念。

我们先来看一下代码实例：

const student1 = {
    school: "Baidu",
    name: "HOU Ce",
    birthdate: "1995-12-15",
}

const changeStudent = (student, newName, newBday) => {
    const newStudent = student;
    newStudent.name = newName;
    newStudent.birthdate = newBday;
    return newStudent;
}

const student2 = changeStudent(student1, "YAN Haijing", "1990-11-10");

// both students will have the name properties
console.log(student1, student2);
// Object {school: "Baidu", name: "YAN Haijing", birthdate: "1990-11-10"} 
// Object {school: "Baidu", name: "YAN Haijing", birthdate: "1990-11-10"}

我们发现，尽管创建了一个新的对象student2，但是老的对象student1也被改动了。这是因为JS对象中的赋值是“引用赋值”，即在赋值过程中，传递的是在内存中的引用(memory reference)。具体说就是“栈存储”和“堆存储”的问题。具体图我就不画了，理解不了可以单找我。

我们说的“不可变”，其实是指保持一个对象状态不变。这样做的好处是使得开发更加简单，可回溯，测试友好，减少了任何可能的副作用。
函数式编程认为：

只有纯的没有副作用的函数，才是合格的函数。

好吧，现在开始解释下“副作用”(Side effect)：

在计算机科学中，函数副作用指当调用函数时，除了返回函数值之外，还对主调用函数产生附加的影响。例如修改全局变量（函数外的变量）或修改参数。
－维基百科

函数副作用会给程序设计带来不必要的麻烦，给程序带来十分难以查找的错误，并降低程序的可读性。严格的函数式语言要求函数必须无副作用。

那么我们避免副作用，创建不可变数据的主要实现思路就是：一次更新过程中，不应该改变原有对象，只需要新创建一个对象用来承载新的数据状态。

我们使用纯函数(pure functions)来实现不可变性。纯函数指无副作用的函数。
那么，具体怎么构造一个纯函数呢？我们可以看一下代码实现，我对上例进行改造：

const student1 = {
    school: "Baidu", 
    name: "HOU Ce",
    birthdate: "1995-12-15",
}

const changeStudent = (student, newName, newBday) => {
    return {
        ...student, // 使用解构
        name: newName, // 覆盖name属性
        birthdate: newBday // 覆盖birthdate属性
    }
}

const student2 = changeStudent(student1, "YAN Haijing", "1990-11-10");

// both students will have the name properties
console.log(student1, student2);
// Object {school: "Baidu", name: "HOU Ce", birthdate: "1995-12-15"} 
// Object {school: "Baidu", name: "YAN Haijing", birthdate: "1990-11-10"}

需要注意的是，我使用了ES6中的解构(destructuring)赋值。
这样，我们达到了想要的效果：根据参数，产生了一个新对象，并正确赋值，最重要的就是并没有改变原对象。

现在，我们知道了“不可变”到底指的是什么。接下来，我们就要分析一下纯函数应该如何实现，进而生产不可变数据。

其实创建不可变数据方式有很多，在使用原生JS的基础上，我推荐的方法是使用现有的Objects API和ES6当中的解构赋值（上例已经演示）。现在看一下Objects.assign的实现方式：

const student1 = {
    school: "Baidu", 
    name: "HOU Ce",
    birthdate: "1995-12-15",
}

const changeStudent = (student, newName, newBday) => Object.assign({}, student, {name: newName, birthdate: newBday})

const student2 = changeStudent(student1, "YAN Haijing", "1990-11-10");

// both students will have the name properties
console.log(student1, student2);
// Object {school: "Baidu", name: "HOU Ce", birthdate: "1995-12-15"};
// Object {school: "Baidu", name: "YAN Haijing", birthdate: "1990-11-10"};

同样，如果是处理数组相关的内容，我们可以使用：.map, .filter或者.reduce去达成目标。这些APIs的共同特点就是不会改变原数组，而是产生并返回一个新数组。这和纯函数的思想不谋而合。

但是，再说回来，使用Object.assign请务必注意以下几点：
1）他的复制，是将所有可枚举属性，复制到目标对象。换句话说，不可枚举属性是无法完成复制的。
2）对象中如果包含undefined和null类型内容，会报错。
3）最重要的一点：Object.assign方法实行的是浅拷贝，而不是深拷贝。

第三点很重要，也就是说，如果源对象某个属性的值是对象，那么目标对象拷贝得到的是这个属性对象的引用。这也就意味着，当对象存在嵌套时，还是有问题的。比如下面代码：

const student1 = {
    school: "Baidu", 
    name: "HOU Ce",
    birthdate: "1995-12-15",
    friends: {
        friend1: "ZHAO Wenlin",
        friend2: "CHENG Wen"
    }
}

const changeStudent = (student, newName, newBday, friends) => Object.assign({}, student, {name: newName, birthdate: newBday})

const student2 = changeStudent(student1, "YAN Haijing", "1990-11-10");

// both students will have the name properties
console.log(student1, student2); 
// Object {school: "Baidu", name: "HOU Ce", birthdate: "1995-12-15", friends: Object}
// Object {school: "Baidu", name: "YAN Haijing", birthdate: "1990-11-10", friends: Object}

student2.friends.friend1 = "MA xiao";
console.log(student1.friends.friend1); // "MA xiao"

对student2 friends列表当中的friend1的修改，同时也影响了student1 friends列表当中的friend1。

以上，我们分析了纯JS如何实现不可变数据。这样处理带来的一个负面影响在于：一些经典APIs都是shallow处理，比如上文提到的Object.assign就是典型的浅拷贝。如果遇到嵌套很深的结构，我们就需要手动递归。这样做呢，又会存在性能上的问题。

比如我自己动手用递归实现一个深拷贝，需要考虑循环引用的“死环”问题，另外，当使用大规模数据结构时，性能劣势尽显无疑。我们熟悉的jquery extends方法，某一版本（最新版本情况我不太了解）的实现是进行了三层拷贝，也没有达到完备的deep copy。

总之，实现不可变数据，我们必然要关心性能问题。针对于此，我推荐一款已经“大名鼎鼎”的——immutable.js类库来处理不可变数据。

他的实现既保证了不可变性，又保证了性能大限度优化。原理很有意思，下面这段话，我摘自camsong前辈的文章：

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。

感兴趣的读者可以深入研究下，这是很有意思的。如果有需要，我也愿意再写一篇immutable.js源码分析。

我们使用JavaScript操纵对象，这样的方式很简单便捷。但是，这样操控的基础是在JavaScript灵活机制的熟练掌握上。不然很容易使你“头大”。

在我开发的百度某部门私信项目中，因为使用了React+Redux技术栈，并且数据结构较为负责，所以我也采用了immutable.js实现。

最后，在前端开发中，函数式编程越来越热，并且在某种程度上已经取代了“过程式”编程和面向对象思想。

我的感想是在某些特定的场景下，不要畏惧变化，拥抱未来。
就像我很喜欢的葡萄牙诗人安德拉德一首诗中那样说的：

我同样不知道什么是海，

赤脚站在沙滩上，
急切地等待着黎明的到来。

Happy Coding!