.NET 中真正不可变的字典

Question

早上好，下午好，晚上好，

仍然基于我关于 .NET 中 immutable dictionaries 的问题，我提出了以下问题：如果 TKey 和 TValue 是值类型，那么您可以使字典真正不可变，因为两者都不是它的内部结构和值本身都不能改变，如果这些参数是引用类型键和值可以很容易地改变，从而改变字典本身。我说的对吗？

非常感谢。

Answer 1

如果 TKey 和 TValue 是值类型，则可以使字典真正不可变，因为它的内部结构和值本身都不能改变，如果这些参数是引用类型，键和值可以很容易地改变，从而改变字典本身。我说的对吗？

不完全是。您已经确定了一个真正的问题，但您对它的描述没有得到充分考虑。

首先，我注意到，是的，卡在不可变字典中的值类型是不可变的，即使它是可变值类型。为什么？因为值类型只能通过改变包含它们的变量来改变。如果您的字典没有公开它用于存储值类型的变量，那么就无法更改这些变量。

然而，即使值类型本身是不可变的不可变值类型也可以包含对可变引用类型的引用，现在我们遇到了同样的问题。将字典限制为值类型只会将问题推到一个层次，它并不能解决它！您真正需要保证“深度”不变性的是 blittable 值类型的字典。 “blittable”是指没有引用类型字段的值类型。 （之所以这么称呼，是因为您可以通过将这些位直接“blitting”到磁盘来将其中一个序列化到存储中。）

不幸的是，在泛型类型系统中没有约束到 blittable 值类型。

现在让我们考虑不可变字典中可变引用类型的一般问题，无论这些引用类型是直接存在还是通过值类型的字段存在。如果引用类型在不可变字典中被带外变异，会出现什么问题？

嗯，首先想到的是，一个不可变的字典应该两次对同一个问题给出相同的答案两次，现在情况不再如此。如果您说“customers[name].Address”，您希望两次得到相同的答案，但如果客户是可以变异的引用类型，您将得到一个可能不同的答案。这可能是可取的，也可能是不可取的。 （请注意，字典两次给出了相同的答案：它对客户对象给出了相同的引用。实际上是客户对象没有给出两次相同的答案。）

假设您不尝试记住可能变化的问题的答案，这通常不是什么大问题。

更大的问题是，当哈希表中作为键的对象发生变异时，会改变其哈希值并“丢失”表中的对象。

如果发生这种情况，则说明有人没有遵守准则。准则是 (1) 引用类型应尽可能不将其哈希码（和相等性）基于可以变异的数据，以及 (2) 用作哈希表中的键的对象不应发生变异。

Answer 2

结构是值类型，不一定是不可变的——所以答案是否定的。您可以设计不可变类型（将所有字段和属性设为只读）。但是，没有可用的类型约束（如where TKey : class）可以让您强制执行它。

更新：一个例子：

class Bar { public int I; }
struct Foo { public Bar B; }

var b = new Bar();
var f = new Foo { B = b; }

dict[key] = f;
b.I++;

我承认有点构建。

Answer 3

看看新的 BCL 不可变集合： http://blogs.msdn.com/b/bclteam/archive/2012/12/18/preview-of-immutable-collections-released-on-nuget.aspx

这仍然是一个预览版本，但它包含以下类型：

• ImmutableStack<T>
• ImmutableQueue<T>
• ImmutableList<T>
• ImmutableHashSet<T>
• ImmutableSortedSet<T>
• ImmutableDictionary<K, V>
• ImmutableSortedDictionary<K, V>

我希望下一个版本的 C# 将包含用于在类级别指定不变性约束的关键字（类似于建议的 here），以及更容易克隆对象的方法，例如带有关键字 @987654331 的 what can be done in F# @：

var o1 = new CustomObject { Field1 = 0, Field2 = 3 }
var o2 = o1 with { Field1 = 1} 

Answer 4

这是一个非常快速的设计，可能不会直接编译，但希望能给你一些想法......

[Immutable]
class ImmutableDictionary<TKey, TValue> : Dictionary<TKey, TValue>
{
    public ImmutableDictionary(IEnumerable<KeyValuePair<TKey, TValue>> keysValues)
    {
        // Ensure TKey is immutable...
        if (typeof(TKey).GetCustomAttribute(typeof(ImmutableAttribute), false).Length == 0)
            throw new InvalidOperationException(String.Format("Type '{0}' must be immutable.", typeof(TKey).AssemblyQualifiedName);

        // Ensure TValue is immutable...
        if (typeof(TValue).GetCustomAttribute(typeof(ImmutableAttribute), false).Length == 0)
            throw new InvalidOperationException(String.Format("Type '{0}' must be immutable.", typeof(TValue).AssemblyQualifiedName);

        foreach(var keyValue in keysValues)
            base.Add(keyValue.Key, keyValue.Value);
    }

    public new void Add(TKey key, TValue value)
    {
        throw new InvalidOperationException("Cannot modify contents of immutable dictionary.");
    }

    public new void Clear()
    {
        throw new InvalidOperationException("Cannot modify contents of immutable dictionary.");
    }

    public new void Remove(TKey key)
    {
        throw new InvalidOperationException("Cannot modify contents of immutable dictionary.");
    }

    public TValue this[TKey key]
    {
        get { return base[key]; }
        set
        {
            throw new InvalidOperationException("Cannot modify contents of immutable dictionary.");
        }
    }
}

Answer 5

要了解发生了什么，请下拉到比字典更简单的类型：List<T>。如果创建一个List<T>，在其中抛出一些项目，然后创建将其传递给ReadOnlyCollection<T> 的构造函数并销毁除ReadOnlyCollection<T> 中包含的引用之外的对该列表的所有引用，那么该列表将是不可变的。它的状态永远不会改变，无论T是可变的还是不可变的，类还是结构。如果T 是一个可变类类型失败，则任何将此类列表视为可变的人都会错误地将列表视为包含对象。没有。

如果T 是类类型，则List<T> 不拥有对象--它识别它们。如果@ 987654329@ 如上所述是不可变的，在向其添加了五个int 数组引用之后，只要它存在，它将始终保存对这五个数组的引用。数组的内容可能会改变，但List<T> 引用的对象的属性不构成列表状态的一部分。

Dictionary<TKey,TValue> 的状态比List<T> 的状态更难定义，特别是如果考虑到由不稳定的GetHashCode() 实现引起的混乱状态的可能性，但同样的原则也适用。如果TKey 是类类型，则构成字典状态一部分的TKey 实例的唯一方面是GetHashCode 返回的值，以及其Equals 方法所隐含的等价类；这两件事都应该是不可变的。 TKey 或 TValue 类对象的合法可变方面不应被视为 TDictionary<TKey,TValue> 状态的一部分。

Answer 6

看看这个： http://ayende.com/blog/164739/immutable-collections-performance 顺便说一句，使用 ImmutableDictionary 时要小心