被遗忘的设计模式——1.不变模式（Immutable）

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不变模式，这是一个非常基础的模式。

从对象的健壮性来思考：
这些对象共享相同对象的引用，为此，在对象构造好之后，不允许改变共享对象的内容。这就是不变模式，在程序中使用它的地方越合适，程序将越健壮，可维护性就越强。

从并发的角度来思考：
不变模式解决的是如何处理共享对象的问题。当多个对象使用或修改同一个类实例——也就是共享对象的时候，往往会有同步问题；而在多线程异步调用的情况下，则更难以控制这个共享对象的状态。
一种解决办法是，使用了Lock的机制来锁住对象，强制进行同步，但是会增加额外的开销。所以，能避免尽量避免使用Lock。故而，有另一种解决方案：即新建一个有着不同内容的对象，来替换原对象，其中，旧对象中未改变的值会复制到新对象中，而改变的值会使用新值——这种实现方式就称为不变模式。

Flyweight模式一般使用不变模式来实现享元，参见我的《我也设计模式》的Flyweight一章。

关键是这个基础类的设计，让我们考察一下复数类Plural的加法：

注意到，x和y字段都是私有且只读的，不对外暴露，它们相应的属性也是只读的：

private readonly double x;

private readonly double y;

public double X

{

get { return x; }

}

public double Y

{

get { return y; }

}

我们只能在构造函数中初始化这两个字段，以后不能再进行修改——这也是“不变”一词的由来：

public Plural(double x, double y)

{

this.x = x;

this.y = y;

}

需要指出的是，对于我们这个复数类的加减乘除运算，一般使用运算符重载的技术，其实，也可以使用不变模式来实现，逻辑是：每个复数实例都是不可改变的，在加减乘除运算方法中，创建新的实例，并在其构造函数中设定新的参数，如下面的Add方法：

public Plural Add(Plural P)

{

return new Plural(this.x + P.x, this.y + P.y);

}

对于基础类Plural，确实没有暴露他自身的属性，但是，他的子类却有可能将其暴露出来，所以，一般要把这个基础类设为不可派生的：

public sealed class Plural

不变模式在.NET中最广泛的使用就是String类的实现。我们知道，字符串是不可改变的。对于以下操作：

String s = "Jax";

s += " Bao";

s = s.Substring(3);

无论是ToUpper还是Substring等函数，都是新建了一个字符串，并重新将该字符串的引用添加到原来的变量s上。另外运算符重载+=，也是这么实现的。

几点注意：
1.构造函数是不需要同步控制的。对CLR认识深刻的人，会认为这是一句废话。毕竟，new还没做好呢，又怎么能Lock一个对象，hoho。
2.仔细观察上面的Add方法：
P.x为什么可以使用呢？x不是P对象的一个私有成员么？至少一开始我是这么认为的，但是编译期和runtime却运行良好。
OK，在Position类外部，确实是访问不了Position对象的x私有字段，为此需要公开其只读属性；但是，就在Position类内部，p作为Add方法的一个参数，却可以访问它自身的这个私有对象。重温private的定义：完全私有的，只有当前类中的成员能访问到。以上是我暂时能想到的一些思路，希望大家能给我更合理的解释。

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posted @ 2008-06-30 14:07 包建强阅读(2208) 评论(16) 编辑收藏所属分类: Design Patterns

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#1楼 2008-06-30 14:52 | 杨同学

immutable 不算是一种设计模式吧，博主

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#2楼 [楼主]2008-06-30 14:59 | 包建强

@杨同学
何以见得？难道不在GOF中的，都不算么？

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#3楼 2008-06-30 15:05 | taowen

再深入谈一下什么时候适用immutable吧.

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#4楼 2008-06-30 15:41 | U2U

这个模式太耗资源了吧

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#5楼 2008-06-30 15:43 | Allen Lee

说到“不变性”（immutability），就不能不提函数式编程了，在诸如F#的函数式编程语言里，对象默认就是“不可变的”（immutable）。在F#里，上面的Plural类可以这样写：

type Plural =
{ X: double; Y: double }
member this.Add p = { X = this.X + p.X; Y = this.Y + p.Y }

Plural的对象实例一旦创建完毕就不能修改了：

let p1 = { X = 2.1; Y = 3.2 }

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#6楼 2008-06-30 15:48 | 未登录的包包 [未注册用户]

小A，
你帮我仔细分析一下我在文章下面提出的问题吧——注意2。我至今还找不到一个合理的解释。多谢多谢！

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#7楼 2008-06-30 16:16 | Allen Lee

@未登录的包包
这个问题曾经在 http://space.cnblogs.com/group/topic/1919/ 提出过，脑袋在那里的4楼给出了解释。

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#8楼 2008-06-30 16:33 | 未登录的包包 [未注册用户]

@小A
多谢，已经看到。
类的私有成员只能从位于该类内部的【词法环境】中访问。至于是否真正是类内部发生的访问是无法限制的。因此，一个对象的私有成员是可以被别的对象访问的，只要位于该类内部的词法环境中。

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#9楼 2008-06-30 16:56 | Gray Zhang

我记得private是“只能由本类的对象访问”而不是“只能有对象自身访问”，因此在类中访问同类型的另一对象的private字段是可以的

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#10楼 2008-06-30 16:57 | 杨同学

严格的说Immutable 应该不算是设计模式。
参照维基百科： http://en.wikipedia.org/wiki/Design_pattern_(computer_science)

1. 把类设计成不变的还有一个好处就是有利于提高性能上。特别对于体积比较小并且被重复创建多个实例的类。

2. 如果一个物体是不可修改的，那么就无需监听 PropertyChanged 事件。在数据绑定方面有利于精简代码清晰逻辑。

假设Survey类中有这么一个DepthUnit 属性：
class Survey ： INotifiedPropertyChanged
{
public Unit DepthUnit
{
get{ return this.depthUnit;}
set{ this.depthUnit = value;
PropertyChanged(this,new PropertyChangedEventArgs("DepthUnit"));

}
}

如果Unit 类不是 immutable 的，有两种方式篡改这个属性。

-通过属性赋值:
Unit meter = new Unit("m");
Survey.DepthUnit =meter;

-通过修改Unit实例: Survey.DepthUnit.Name = "m";

由于第二种方式的存在。想监听 DepthUnit 属性变化这个事件就需要使 Unit 类实现 INotifiedPropertyChanged 接口。在DepthUnit 中注册并监听 Unit类的 Name 属性事件，再而触发 Survey 类中的 DepthUnit 属性改变事件。在每一个有Unit类作为属性的类里面都要使用同样的方法，代码变得冗长并且很乱。

目前最简单的方法就是吧Unit的 Name属性改成只读的。这样第二种篡改的方式将不再存在，一切简单了很多。

不清楚这个算不算是immutable 类的一个好处... ，或者对这个问题有想法的请赐教.....

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#11楼 2008-06-30 23:46 | 笑笑江南

这个是设计模式？

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#12楼 2008-07-01 00:09 | Angel Lucifer

/* 故而，有另一种解决方案：即新建一个有着不同内容的对象，来替换原对象，其中，旧对象中未改变的值会复制到新对象中，而改变的值会使用新值——这种实现方式就称为不变模式。*/

Immutable 的对象对于并发来说因为不需要同步，从这点上看的确有性能上的提升。

但是也应当注意到，这种场景有限。

同时，在高负载，高并发的情况下，如4楼 U2U 老兄所说，非常耗费资源。这种情况下，垃圾对象频繁创建，导致 GC 频繁进行回收。.NET 新建一个 Heap 对象速度非常快(但稍慢于在栈上分配对象)，但是回收起来却很麻烦。还不如 Copy on Write好用。

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#13楼 2008-07-01 00:36 | 曲滨*銘龘鶽

@杨同学
设计模式的定义是什么？你知道吗？

估计圆子里能说清楚的不多、呵呵？

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#14楼 2008-07-01 01:01 | 杨同学

@曲滨*銘龘鶽

定义在维基百科里面有，我给了连接的，你去看看吧。

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#15楼 2008-07-01 06:20 | 怪怪

稍微有点偏重于实现模式，而不是设计，不过这种思路还是有很多用武之地的～

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#16楼 2008-07-01 14:38 | 装配脑袋

VB的匿名类，凡是标注Key的属性都是不变属性；而C#的匿名类则必须就是不变类型。比如
Dim a = New {Key .Name = "Harry", Key .Age = 12 } '不变的说

Dim b = New {.Name = "Potter", .Age = 14 } '可变的说