F# 相对于 C# 的内置不变性有哪些优势？

Question

1. 我听说 F# 原生支持不变性，但它不能在 C# 中复制怎么办？从 C# 不可变数据中获取的 F# 不可变数据有什么用处？

2. 同样在 F# 中，有没有办法创建可变数据？一切都是不可变的吗？

3. 如果在应用程序中同时使用 C# 和 F#，是否可以更改 C# 中的不可变 F# 数据？还是只需要创建使用不可变 F# 数据并替换指向这些数据的引用的新 C# 类型？

Answer 1

1. F# 的工作方式使处理不可变数据变得更加容易，但在这方面，C# 没有什么特别之处。但它可能无法提供简洁的语法。

2. F# 支持带有 mutable 关键字的可变数据。 F# 不是纯函数式语言。它支持命令式结构，如循环和函数式结构。

3. 没有。不可变类型实际上是不可变的。 .NET 类型系统在两种语言之间共享。您也不能从 C# 更改不可变数据（当然，缺少反射和内存黑客）。

Answer 2

Mehrdad 已经回答了您的所有问题，但只是为了详细说明 #1 - 不同之处在于您需要编写的代码量。例如，下面是 C# 中只读点的定义和示例用法：

class Point
{
    private readonly int x, y;

    public int X { get { return x; } }

    public int Y { get { return y; } }

    public Point(int x, int y)
    {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
}

var p = new Point(1, 2);

您可以使用自动属性使其更短一些，但不会对类定义中的代码强制执行不变性，仅对其客户端强制执行不变性。

在 F# 中，您只需编写：

type Point = { x: int; y: int }
let p = { x = 1; y = 2 }

如果你希望它是可变的：

type Point = { mutable x: int; mutable y: int }
let p = { x = 1; y = 2 }
p.x <- 3
p.y <- 4

Answer 3

F# 和 C# 在不可变性方面最大的区别在于 F# 默认情况下是不可变的。可以在 C# 中复制所有不可变的构造和集合，但这需要很多 额外的工作。在 F# 中，您可以免费获得它。

F# 是一种混合语言，并且支持多种形式的可变性。 mutable关键字中最简单的

let value1 = 42; // immutable
let mutable value2 = value1; // mutable
value2 <- 13;  

除了反射技巧，一旦在 F# 中创建数据，无论您使用哪种语言，它都是不可变的。

Answer 4

正如其他人所说，使用不可变数据有一些重要的好处。仅举几例：

• 并行化 - 将计算结果并以不可变数据结构返回的程序更容易并行化。
• 理解代码 - 如果你使用不可变数据编写程序，那么一段代码唯一能做的就是返回一个结果——这使程序更具可读性，因为你可以看到函数/方法的作用分析输入和输出

从技术上讲，您可以在 C# 和 F# 中编写相同的不可变数据结构。问题是，F# 鼓励您这样做，而在 C# 中编写真正的不可变数据结构有点痛苦。这意味着在编写 F# 代码时，您更有可能编写不可变结构（因为它更容易！）并且只有在您真正需要时才使用可变性（这在 F# 中也是可能的）（这更难！）

除了默认声明不可变类型外，F# 还有一些不错的功能，可以更轻松地使用它们。例如在处理记录时：

type MyRect = { X : int; Y : int; Width : int; Height : int }
let r = { X = 0; Y = 0; Width = 200; Height = 100 }

// You'll often need to create clone with one field changed:
let rMoved1 = { X = 123; Y = r.Y; Width = r.Width; Height = r.Height }

// The same thing can be written using 'with' keyword:
let rMoved2 = { r with  X = 123 }

您也可以在 C# 中编写相同的内容，但您需要使用 WithX 方法声明不可变数据结构，该方法返回具有修改的 X 字段、WithY、WithWidth 等的克隆。 . 这是一个不完整的例子：

class MyRect {
  readonly int x, y, width, height;

  MyRect WithX(int newX) {
    return new MyRect(newX, y, width, height);
  }
  // etc...
}

在没有编译器帮助的情况下，这是很多工作。

Answer 5

你从 F# 不可变对象中得到了什么 不是从 C# 获得的数据 不可变数据？

F# 允许您轻松地制作不可变数据的修改副本，这从 C# 开始非常繁琐且耗时。考虑在 F# 中创建记录：

type Person = { FirstName: string; MiddleName: string; LastName: string }
let me = { FirstName = "Robert"; MiddleName = "Frederick"; LastName = "Pickering" }

假设我想更改姓氏字段，在 F# 中，我可以通过使用“with”关键字进行复制来做到这一点：

let me' = { me with LastName = "Townson" }

如果您想在 C# 中执行此操作，则必须创建将每个字段复制到新结构中的方法，并且很有可能将字段混淆。

集合还有其他合适的优势。例如 C# 支持不可变的 ReadOnlyCollection。但是，每次您想向此集合添加新项目时，您都必须制作整个集合的副本。 F# 内置列表允许您只将新项目添加到列表末尾而不复制它，即新生成的列表实际上将共享大部分旧列表。即：

let myList = [3; 2; 1]
let myList' =  4 :: myList

创建“myList”时，整个“myList”保持不变，并在其头部添加“4”以创建“myList”。

Answer 6

我认为您是从一个过于详细的功能角度来看这个问题。

我认为函数式编程语言默认不变性的主要优势在于它如何影响开发人员的实际编程思维。当突变是默认设置时，编程思维定势通过改变数据来寻求解决方案。当不变性是默认设置时，编程思维模式倾向于通过转换数据来解决问题。

详细说明为什么后一种思维方式更好。在通过改变数据来开发程序时，您最终会陷入细节的困境，因此您的重点往往是程序如何“从小”工作。通过转换数据开发程序时，您无需担心许多细节（例如程序的不同变异部分如何相互交互），您的重点往往是程序如何工作大'。因此，后一种思维方式使开发人员能够更好、更清晰地了解程序的工作原理。

虽然有一个干净的程序“大图”很好，但在某些情况下，现实生活中的担忧可能超过它。一些数据结构（数组、多维数组）由于制作新副本的成本很高，因此不是很好的不可变性候选者，因此即使使用函数式语言，也应始终应用一些常识来判断何时不使用不可变性。

编辑以回答评论：

函数式语言纯粹主义者会争辩说，这会使代码更丑陋。我认为自己不是一个纯粹主义者，所以我不这么认为；好吧，从理论上讲，也许更丑。

F# 是一种不纯的函数式编程语言，因此它在需要时支持可变性。让你的部分状态是可变的并不会使你的大部分状态不可变的好处失效。

在大多数情况下，您最终会使用不同的（纯）数据结构，而您通常会在命令式语言中使用数组。例如。元组、列表或树（或在树上构建的集合/映射；标准库通常带有具有良好时间复杂度的实现）。

如果你认为你真的需要一个可变数组（出于性能原因），你可以使用它，所以没有什么能阻止你使用它。

Answer 7

你从 F# 不可变数据中得到什么，而你却没有从 C# 不可变数据中得到什么？

第一个好处是 F# 函数除了返回其结果之外没有任何其他效果。不会更改全局数据，也不会依赖可变数据，因此您可以保证，只要您坚持使用不可变数据，相同的调用每次都会可靠地产生相同的结果。

这第一个好处本身就已经很好了，因为它使您的代码更容易理解，但是大的好处是因为F#函数可以安全地组合。通过函数组合进行编程被证明是一种非常强大的模块化方式，可以使用可重用的部分进行编程。而且您可以构建真正强大的部分，这些部分可以以多种不同的方式组合在一起，因此您可以用更少的代码编写更多的程序。

John Hughes 的标志性论文Why Functional Programming Matters 对这些想法的解释比我以往任何时候都好。 John 解释了移除变异能力实际上如何为语言整体增加了表达能力。阅读论文！