.NET 中真正不可变的字典

Question

早上好，下午好，晚上好，

仍然以我关于 .NET 中的 不可变字典 的问题为基础，我提出了有以下问题：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，则键和值可以轻松更改，从而更改字典本身。我说得对吗？

非常感谢。

Answer 1

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

这仍然是预览版本，但它包含以下类型：

• ImmutableStack
• ImmutableQueue
• ImmutableList
• ImmutableHashSet
• ImmutableSortedSet
• ImmutableSortedDictionary
• ImmutableSortedDictionary

我希望 C# 的下一个版本将包含用于指定不变性约束的关键字类级别（类似于此处建议的内容），以及克隆的方法更容易地访问对象，例如 使用关键字 <在 F# 中可以完成的操作代码>与：

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

Answer 2

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 3

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

Answer 4

要了解发生了什么，请下拉至比字典更简单的类型：List。如果创建一个 List，在其中抛出一些项目，然后创建将其传递给 ReadOnlyCollection 的构造函数，并销毁除该列表之外的所有引用包含在 ReadOnlyCollection 中的列表，那么该列表将是不可变的。无论 T 是可变的还是不可变的、类还是结构，它的状态都永远不会改变。如果 T 是可变类类型，则任何将此类列表视为可变的人都会失败，因为该列表将错误地视为持有对象。事实并非如此。

如果 T 是类类型，则 List 不保存个对象 - 它识别 它们。 如果如上所述将 List 设为不可变，则在添加了五个 int 数组引用后，则如下只要它存在，它将始终保存对这五个数组的引用。数组的内容可能会更改，但List引用的对象的属性不构成列表状态的一部分。

Dictionary 的状态比 List 的状态更难定义，尤其是考虑到可能导致混乱状态的情况下由古怪的 GetHashCode() 实现实现，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，并且由其 Equals 方法隐含的等价类；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 状态的一部分。

Answer 5

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（使所有字段和属性只读）。但是，没有可用的类型约束（例如 where TKey : class）允许您强制执行它。

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++;

我承认有点构造。

Answer 6

如果 TKey 和 TValue 是值类型，则可以使字典真正不可变，即它的内部结构和值本身都不能更改，如果这些参数是引用类型键和值可以轻松更改，从而更改字典本身。我说得对吗？

不完全是。您已经发现了一个真正的问题，但您对问题的描述尚未经过充分考虑。

首先，我注意到，是的，固定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向更高层次，而并不能解决问题！保证“深度”不变性真正需要的是blittable值类型的字典。我所说的“blittable”是指没有引用类型字段的值类型。 （之所以这么说，是因为您可以通过将位直接“传输”到磁盘来将其中之一序列化到存储。）

不幸的是，通用类型系统中没有限制可传输的值类型。

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时发生带外变异，会出现什么问题？

好吧，首先想到的是不可变字典应该对同一问题两次给出相同的答案，但现在情况不再如此了。如果您说“customers[name].Address”，您预计会两次获得相同的答案，但如果客户是可以变异的引用类型，您可能会得到不同的答案。这可能是可取的，也可能是不可取的。 （请注意，字典给出了相同的答案两次：它给出了对客户对象的相同引用。实际上是客户对象没有两次给出相同的答案。）

假设您不'不要试图记住可能改变的问题的答案，这通常不是一个大问题。

一个更大的问题是，当哈希表中作为键的对象发生变异时，会更改其哈希值并“丢失”表中的对象。

如果发生这种情况，那么有人就没有遵守指导方针。指导原则是 (1) 引用类型如果可能的话，不应将其哈希码（和相等性）基于可能发生变异的数据，以及 (2) 用作哈希表中的键的对象不应发生变异。