如何操作不可变对象树？

Question

我正在用不可变对象构建一个完整的应用程序，这样多线程和撤消变得更容易实现。我正在使用Google Collections Library，它提供了 Map、List 和 Set 的不可变版本。

我的应用程序模型看起来像一棵树：

• Scene 是一个顶级对象，其中包含对根节点的引用。
• 每个节点都可以包含子节点和端口。

对象图可能如下所示：

Scene
 |
 +-- Node
      |
      +-- Node 
           |
           +- Port
      +-- Node
           |
           +- Port
           +- Port

如果所有这些对象都是不可变的，由顶级 SceneController 对象控制：

• 构建此层次结构的最佳方法是什么？
• 如何替换对象树中任意深度的对象？
• 有没有办法支持反向链接，例如具有“父”属性的节点？

更一般地说：

• 是否出现了处理此类数据的任何模式？
• 是否有关于该主题的（学术）文献？
• 这是个好主意吗？

Answer 1

这里有两个有趣的概念。首先，持久数据结构。如果树的所有元素都是不可变的，那么可以通过替换一些部分但引用旧部分从原始树派生一棵新树，从而节省时间和内存。

例如，如果您要向已经有两个端口的节点添加第三个端口，则必须创建一个新场景、一个新场景的节点的后代以及您正在更改的节点。不需要重新创建另一个节点和所有端口——您只需在新的场景/节点中引用它们即可。

另一个概念是拉链。拉链是一种通过持久数据结构“导航”以优化本地更改的方法。例如，如果您添加了四个新端口而不是一个，但您一次添加了一个端口，您必须创建四个新场景和八个新节点。使用拉链，您可以将此类创作推迟到完成后再进行，从而节省了这些中间对象。

我读过的关于拉链的最好解释是here。

现在，使用 zipper 导航数据结构不再需要反向链接。通过巧妙地使用递归构造函数，您可以在不可变结构中拥有反向链接。但是，这样的数据结构不会持久。非持久不可变数据结构的修改性能很差，因为您每次都需要复制整个数据。

至于学术文献，我推荐 Okasaki 的 Purely Function Data Structures (dissertation PDF, fully fledged book)。

Answer 2

如果你的树是不可变的，那么如果你想以任何方式改变它，你就必须生成一棵新树。

这听起来很糟糕，但如果您的所有节点也是不可变的，那就不是了！由于您不需要复制不可变对象，因此您的新树将主要引用旧树，但您所做的更改除外。

您必须以这样一种方式设计您的树，即每棵不可变树都引用其他不可变树。这样您也不需要复制整个不可变树。

但是如果你走不可变的树路径，那么你就不能有反向链接。否则不能重用子树。