15 分钟看清 Immutable 的本质
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2021-06-26 07:30
本文首发于政采云前端团队博客：15分钟学会Immutable
https://www.zoo.team/article/learn-about-immutable
1. 什么是 Immutable ？
Immutable Data 就是一旦创建，就不能再被更改的数据。对 Immutable 对象的任何修改或添加删除操作都会返回一个新的 Immutable 对象。主要原理是采用了 Persistent Data Structure（持久化数据结构)，就是当每次修改后我们都会得到一个新的版本，且旧版本可以完好保留，也就是使用旧数据创建新数据时，要保证旧数据同时可用且不变。同时为了避免 deepCopy 把所有节点都复制一遍带来的性能损耗，Immutable 使用了 Structural Sharing（结构共享），就是对于本次操作没有修改的部分，我们可以直接把相应的旧的节点拷贝过去，这其实就是结构共享。
2. Immutable 有什么优点？
2.1 降低复杂度，避免副作用
在 JavaScript 中，对象都是引用类型，在按引用传递数据的场景中，会存在多个变量指向同一个内存地址的情况，这样会引发不可控的副作用，如下代码所示：
let obj1 = { name: '张三' };
let obj2 = obj1;
obj2.name = '李四';
console.log(obj1.name); // 李四
使用 Immutable 后：
import { Map } from 'immutable';
let obj1 = Map({ name: '张三'});
let obj2 = obj1;
obj2.set({name:'李四'});
console.log(obj1.get('name')); // 张三
当我们使用 Immutable 时降低了 JavaScript 对象带来的复杂度的问题，使我们状态变成可预测的。
2.2 节省内存
Immutable 采用了结构共享机制，所以会尽量复用内存。
import { Map } from 'immutable';
let obj1 = Map({
name: 'zcy',
filter: Map({age:6})
});
let obj2 = obj1.set('name','zcygov');
console.log(obj1.get('filter') === obj2.get('filter')); // true
// 上面 obj1 和 obj2 共享了没有变化的 filter 属性
2.3 方便回溯
Immutable 每次修改都会创建一个新对象，且对象不变，那么变更的记录就能够被保存下来，应用的状态变得可控、可追溯，方便撤销和重做功能的实现，请看下面代码示例：
import { Map } from 'immutable';
let historyIndex = 0;
let history = [Map({ name: 'zcy' })];
function operation(fn) {
history = history.slice(0, historyIndex + 1);
let newVersion = fn(history[historyIndex]);
// 将新版本追加到历史列表中
history.push(newVersion);
// 记录索引，historyIndex 决定我们是否有撤销和重做
historyIndex++;
}
function changeHeight(height) {
operation(function(data) {
return data.set('height', height);
});
}
// 判断是否有重做
let hasRedo = historyIndex !== history.length - 1;
// 判断是否有撤销
let hasUndo = historyIndex !== 0;
2.4 函数式编程
Immutable 本身就是函数式编程中的概念，纯函数式编程比面向对象更适用于前端开发。因为只要输入一致，输出必然一致，这样开发的组件更易于调试和组装。
2.5 丰富的 API
Immutable 实现了一套完整的 Persistent Data Structure，提供了很多易用的数据类型。像 Collection、List、Map、Set、Record、Seq，以及一系列操作它们的方法，包括 sort，filter，数据分组，reverse，flatten 以及创建子集等方法，具体 API 请参考官方文档 (https://immutable-js.github.io/immutable-js/docs/#/?fileGuid=tCVw8Y6Cv8J3KYHw)
3. 在 React 中如何使用 Immutable
我们都知道在 React 父组件更新会引起子组件重新 render，当我们传入组件的 props 和 state 只有一层时，我们可以直接使用 React.PureComponent (https://facebook.github.io/react/docs/react-api.html#react.purecomponent?fileGuid=tCVw8Y6Cv8J3KYHw)，它会自动帮我们进行浅比较，从而控制 shouldComponentUpdate 的返回值。
但是，当传入 props 或 state 不止一层，或者传入的是 Array 和 Object 类型时，浅比较就失效了。当然我们也可以在 shouldComponentUpdate() 中使用使用 deepCopy 和 deepCompare 来避免不必要的 render() ，但 deepCopy 和 deepCompare 一般都是非常耗性能的。这个时候我们就需要 Immutable 。
以下示例通过浅比较的方式来优化：
import React, { Component } from 'react';
import ReactDOM from 'react-dom';
class Counter extends Component {
state = { counter: { number: 0 } }
handleClick = () => {
let amount = this.amount.value ? Number(this.amount.value) : 0;
this.state.counter.number = this.state.counter.number + amount;
this.setState(this.state);
}
// 通过浅比较判断是否需要刷新组件
// 浅比较要求每次修改的时候都通过深度克隆每次都产生一个新对象
shouldComponentUpdate(nextProps, nextState) {
for (const key in nextState) {
if (this.State[key] !== nextState[key]) {
return true;
}
}
return false;
}
}
render() {
console.log('render');
return (
<div>
<p>{this.state.number}</p>
<input ref={input => this.amount = input} />
<button onClick={this.handleClick}>+</button>
</div>
)
}
}
ReactDOM.render(
<Caculator />,
document.getElementById('root')
)
也可以通过深度比较的方式判断两个状态的值是否相等，这样做的话性能非常低。
shouldComponentUpdate(nextProps, prevState) {
// 通过 lodash 中 isEqual 深度比较方法判断两个值是否相同
return !_.isEqual(prevState, this.state);
}
Immutable 则提供了简洁高效的判断数据是否变化的方法，只需 === 和 is 比较就能知道是否需要执行 render() ，而这个操作几乎 0 成本，所以可以极大提高性能。修改后的 shouldComponentUpdate 是这样的：
import React, { Component } from 'react';
import ReactDOM from 'react-dom';
import { is, Map } from 'immutable';
class Caculator extends Component {
state = {
counter: Map({ number: 0 })
}
handleClick = () => {
let amount = this.amount.value ? Number(this.amount.value) : 0;
let counter = this.state.counter.update('number', val => val + amount);
this.setState({counter});
}
shouldComponentUpdate(nextProps = {}, nextState = {}) {
if (Object.keys(this.state).length !== Object.keys(nextState).length) {
return true;
}
// 使用 immutable.is 来进行两个对象的比较
for (const key in nextState) {
if (!is(this.state[key], nextState[key])) {
return true;
}
}
return false;
}
render() {
return (
<div>
<p>{this.state.counter.get('number')}</p>
<input ref={input => this.amount = input} />
<button onClick={this.handleClick}>+</button>
</div>
)
}
}
ReactDOM.render(
<Caculator />,
document.getElementById('root')
)
Immutable.is 比较的是两个对象的 hashCode 或 valueOf（对于 JavaScript 对象）。由于 immutable 内部使用了 Trie 数据结构来存储，只要两个对象的 hashCode 相等，值就是一样的。这样的算法避免了深度遍历比较，性能非常好。使用 Immutable 后，如下图，当红色节点的 state 变化后，不会再渲染树中的所有节点，而是只渲染图中绿色的部分：
(图片引用自：Immutable 详解及 React 中实践 (https://github.com/camsong/blog/issues/3?fileGuid=tCVw8Y6Cv8J3KYHw))
所以使用 Immutable.is 可以减少 React 重复渲染，提高性能。
4. Immutable 结合 Redux 使用
下面是 Immutable 结合 Redux 使用的一个数值累加小示例：
import React, { Component } from 'react';
import ReactDOM from 'react-dom';
import PropTypes from 'prop-types'
import { createStore, applyMiddleware } from 'redux'
import { Provider, connect } from 'react-redux'
import immutable, { is, Map } from 'immutable';
import PureComponent from './PureComponent';
const ADD = 'ADD';
// 初始化数据时，使用 Map 保证数据不会被轻易修改
const initState = Map({ number: 0 });
function counter(state = initState, action) {
switch (action.type) {
case ADD:
// 返回数据时采用 update 更新对象数据
return state.update('number', (value) => value + action.payload);
default:
return state
}
}
const store = createStore(counter);
class Caculator extends PureComponent {
render() {
return (
<div>
<p>{this.props.number}</p>
<input ref={input => this.amount = input} />
<button onClick={() => this.props.add(this.amount.value ? Number(this.amount.value) : 0)}>+</button>
</div>
)
}
}
let actions = {
add(payload) {
return { type: ADD, payload }
}
}
const ConnectedCaculator = connect(
state => ({ number: state.get('number') }),
actions
)(Caculator)
ReactDOM.render(
<Provider store={store}><ConnectedCaculator /></Provider>,
document.getElementById('root')
)
但由于 Redux 中内置的 combineReducers 和 reducer 中的 initialState 都为原生的 Object 对象，所以不能和 Immutable 原生搭配使用，当然我们可以通过重写 combineReducers 的方式达到兼容效果，如下代码所示：
// 重写 redux 中的 combineReducers
function combineReducers(reducers) {
// initialState 初始化为一个 Immutable Map对象
return function (state = Map(), action) {
let newState = Map();
for (let key in reducers) {
newState = newState.set(key, reducers[key](state.get(key), action));
}
return newState;
}
}
let reducers = combineReducers({
counter
});
const ConnectedCaculator = connect(
state => {
return ({ number: state.getIn(['counter', 'number']) })
},
actions
)(Caculator)
也可以通过引入 redux-immutable (https://github.com/gajus/redux-immutable#readme?fileGuid=tCVw8Y6Cv8J3KYHw) 中间件的方式实现 Redux 与 Immutable 的搭配使用，对于使用 Redux 的应用程序来说，你的整个 state tree 应该是 Immutable.JS 对象，根本不需要使用普通的 JavaScript 对象。
5.使用 Immutable 需要注意的点
不要混合普通的 JS 对象和 Immutable 对象（不要把 Imuutable 对象作为 JS 对象的属性，或者反过来）。 把整颗 Reudx 的 state 树作为 Immutable 对象。 除了展示组件以外，其他地方都应该使用 Immutable 对象（提高效率，而展示组件是纯组件，不应该使用） 。 少用 toJS 方法（这个方法操作非常耗性能，它会深度遍历数据转换成JS对象）。 你的 Selector 应该永远返回 Immutable 对象 （即 mapStateToProps，因为 react-redux 中是通过浅比较来决定是否 re-redering，而使用 toJS 的话，每次都会返回一个新对象，即引用不同）。
6.总结
实际情况中有很多方法可以优化我们的 React 应用，例如延迟加载组件，使用 serviceWorks 缓存应用状态，使用 SSR 等，但在考虑优化之前，最好先理解 React 组件的工作原理，了解 Diff 算法，明白这些概念之后才能更好的针对性的去优化我们的应用。
文章中如有不对的地方，欢迎指正。
参考链接：
Immutable 详解及 React 中实践 (https://github.com/camsong/blog/issues/3?fileGuid=tCVw8Y6Cv8J3KYHw)
Immutable Data Structures and JavaScript (https://archive.jlongster.com/Using-Immutable-Data-Structures-in-JavaScript?fileGuid=tCVw8Y6Cv8J3KYHw)
Immutable官方文档 (https://immutable-js.github.io/immutable-js/docs/#/?fileGuid=tCVw8Y6Cv8J3KYHw)
看完两件事
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如果你想改变一直被事折腾，希望开始能折腾事；如果你想改变一直被告诫需要多些想法，却无从破局；如果你想改变你有能力去做成那个结果，却不需要你；如果你想改变你想做成的事需要一个团队去支撑，但没你带人的位置；如果你想改变既定的节奏，将会是“5 年工作时间 3 年工作经验”；如果你想改变本来悟性不错，但总是有那一层窗户纸的模糊… 如果你相信相信的力量，相信平凡人能成就非凡事，相信能遇到更好的自己。如果你希望参与到随着业务腾飞的过程，亲手推动一个有着深入的业务理解、完善的技术体系、技术创造价值、影响力外溢的前端团队的成长历程，我觉得我们该聊聊。任何时间，等着你写点什么，发给 ZooTeam@cai-inc.com
