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不可變性可以幫助我們更好地理解我們的代碼。下面我將講述如何在不犧牲性能的條件下來(lái)實(shí)現(xiàn)它。

在這個(gè)由兩篇文章構(gòu)成的系列中，我將討論如何將函數(shù)式編程方法論中的思想引入至 Python 中，來(lái)充分發(fā)揮這兩個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

本文（也就是***篇文章）中，我們將探討不可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。第二部分會(huì)探討如何在 toolz 庫(kù)的幫助下，用 Python 實(shí)現(xiàn)高層次的函數(shù)式編程理念。

為什么要用函數(shù)式編程？因?yàn)樽兓臇|西更難推理。如果你已經(jīng)確信變化會(huì)帶來(lái)麻煩，那很棒。如果你還沒(méi)有被說(shuō)服，在文章結(jié)束時(shí)，你會(huì)明白這一點(diǎn)的。

我們從思考正方形和矩形開(kāi)始。如果我們拋開(kāi)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，單從接口的角度考慮，正方形是矩形的子類(lèi)嗎？

子類(lèi)的定義基于里氏替換原則。一個(gè)子類(lèi)必須能夠完成超類(lèi)所做的一切。

如何為矩形定義接口？

from zope.interface import Interface
 
class IRectangle(Interface):
    def get_length(self):
        """正方形能做到"""
    def get_width(self):
        """正方形能做到"""
    def set_dimensions(self, length, width):
        """啊哦"""

如果我們這么定義，那正方形就不能成為矩形的子類(lèi)：如果長(zhǎng)度和寬度不等，它就無(wú)法對(duì) set_dimensions 方法做出響應(yīng)。

另一種方法，是選擇將矩形做成不可變對(duì)象。

class IRectangle(Interface):
    def get_length(self):
        """正方形能做到"""
    def get_width(self):
        """正方形能做到"""
    def with_dimensions(self, length, width):
        """返回一個(gè)新矩形"""

現(xiàn)在，我們可以將正方形視為矩形了。在調(diào)用 with_dimensions 時(shí)，它可以返回一個(gè)新的矩形（它不一定是個(gè)正方形），但它本身并沒(méi)有變，依然是一個(gè)正方形。

這似乎像是個(gè)學(xué)術(shù)問(wèn)題 —— 直到我們認(rèn)為正方形和矩形可以在某種意義上看做一個(gè)容器的側(cè)面。在理解了這個(gè)例子以后，我們會(huì)處理更傳統(tǒng)的容器，以解決更現(xiàn)實(shí)的案例。比如，考慮一下隨機(jī)存取數(shù)組。

我們現(xiàn)在有 ISquare 和 IRectangle，而且 ISequere 是 IRectangle 的子類(lèi)。

我們希望把矩形放進(jìn)隨機(jī)存取數(shù)組中：

class IArrayOfRectangles(Interface):
    def get_element(self, i):
        """返回一個(gè)矩形"""
    def set_element(self, i, rectangle):
        """'rectangle' 可以是任意 IRectangle 對(duì)象"""

我們同樣希望把正方形放進(jìn)隨機(jī)存取數(shù)組：

class IArrayOfSquare(Interface):
    def get_element(self, i):
        """返回一個(gè)正方形"""
    def set_element(self, i, square):
        """'square' 可以是任意 ISquare 對(duì)象"""

盡管 ISquare 是 IRectangle 的子集，但沒(méi)有任何一個(gè)數(shù)組可以同時(shí)實(shí)現(xiàn) IArrayOfSquare 和 IArrayOfRectangle.

為什么不能呢？假設(shè) bucket 實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)類(lèi)的功能。

>>> rectangle = make_rectangle(3, 4)
>>> bucket.set_element(0, rectangle) # 這是 IArrayOfRectangle 中的合法操作
>>> thing = bucket.get_element(0) # IArrayOfSquare 要求 thing 必須是一個(gè)正方形
>>> assert thing.height == thing.width
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
AssertionError

無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩類(lèi)功能，意味著這兩個(gè)類(lèi)無(wú)法構(gòu)成繼承關(guān)系，即使 ISquare 是 IRectangle 的子類(lèi)。問(wèn)題來(lái)自 set_element 方法：如果我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)只讀的數(shù)組，那 IArrayOfSquare 就可以是 IArrayOfRectangle 的子類(lèi)了。

在可變的 IRectangle 和可變的 IArrayOf* 接口中，可變性都會(huì)使得對(duì)類(lèi)型和子類(lèi)的思考變得更加困難 —— 放棄變換的能力，意味著我們的直覺(jué)所希望的類(lèi)型間關(guān)系能夠成立了。

可變性還會(huì)帶來(lái)作用域方面的影響。當(dāng)一個(gè)共享對(duì)象被兩個(gè)地方的代碼改變時(shí)，這種問(wèn)題就會(huì)發(fā)生。一個(gè)經(jīng)典的例子是兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)改變一個(gè)共享變量。不過(guò)在單線(xiàn)程程序中，即使在兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的地方共享一個(gè)變量，也是一件簡(jiǎn)單的事情。從 Python 語(yǔ)言的角度來(lái)思考，大多數(shù)對(duì)象都可以從很多位置來(lái)訪(fǎng)問(wèn)：比如在模塊全局變量，或在一個(gè)堆棧跟蹤中，或者以類(lèi)屬性來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。

如果我們無(wú)法對(duì)共享做出約束，那我們可能要考慮對(duì)可變性來(lái)進(jìn)行約束了。

這是一個(gè)不可變的矩形，它利用了 attr 庫(kù)：

@attr.s(frozen=True)
class Rectange(object):
    length = attr.ib()
    width = attr.ib()
    @classmethod
    def with_dimensions(cls, length, width):
        return cls(length, width)

這是一個(gè)正方形：

@attr.s(frozen=True)
class Square(object):
    side = attr.ib()
    @classmethod
    def with_dimensions(cls, length, width):
        return Rectangle(length, width)

使用 frozen 參數(shù)，我們可以輕易地使 attrs 創(chuàng)建的類(lèi)成為不可變類(lèi)型。正確實(shí)現(xiàn) __setitem__ 方法的工作都交給別人完成了，對(duì)我們是不可見(jiàn)的。

修改對(duì)象仍然很容易；但是我們不可能改變它的本質(zhì)。

too_long = Rectangle(100, 4)
reasonable = attr.evolve(too_long, length=10)

Pyrsistent 能讓我們擁有不可變的容器。

# 由整數(shù)構(gòu)成的向量
a = pyrsistent.v(1, 2, 3)
# 并非由整數(shù)構(gòu)成的向量
b = a.set(1, "hello")

盡管 b 不是一個(gè)由整數(shù)構(gòu)成的向量，但沒(méi)有什么能夠改變 a 只由整數(shù)構(gòu)成的性質(zhì)。

如果 a 有一百萬(wàn)個(gè)元素呢？b 會(huì)將其中的 999999 個(gè)元素復(fù)制一遍嗎？Pyrsistent 具有“大 O”性能保證：所有操作的時(shí)間復(fù)雜度都是 O(log n). 它還帶有一個(gè)可選的 C 語(yǔ)言擴(kuò)展，以在“大 O”性能之上進(jìn)行提升。

修改嵌套對(duì)象時(shí)，會(huì)涉及到“變換器”的概念：

blog = pyrsistent.m(
    title="My blog",
    links=pyrsistent.v("github", "twitter"),
    posts=pyrsistent.v(
        pyrsistent.m(title="no updates",
                     content="I'm busy"),
        pyrsistent.m(title="still no updates",
                     content="still busy")))
new_blog = blog.transform(["posts", 1, "content"],
                          "pretty busy")

new_blog 現(xiàn)在將是如下對(duì)象的不可變等價(jià)物：

{'links': ['github', 'twitter'],
 'posts': [{'content': "I'm busy",
            'title': 'no updates'},
           {'content': 'pretty busy',
            'title': 'still no updates'}],
 'title': 'My blog'}

不過(guò) blog 依然不變。這意味著任何擁有舊對(duì)象引用的人都沒(méi)有受到影響：轉(zhuǎn)換只會(huì)有局部效果。

當(dāng)共享行為猖獗時(shí)，這會(huì)很有用。例如，函數(shù)的默認(rèn)參數(shù)：

def silly_sum(a, b, extra=v(1, 2)):
    extra = extra.extend([a, b])
    return sum(extra)

在本文中，我們了解了為什么不可變性有助于我們來(lái)思考我們的代碼，以及如何在不帶來(lái)過(guò)大性能負(fù)擔(dān)的條件下實(shí)現(xiàn)它。下一篇，我們將學(xué)習(xí)如何借助不可變對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的程序結(jié)構(gòu)。