用Go构建不可变的数据结构

共享状态 是比较容易理解和使用的,但是可能产生隐晦以至于很难追踪的 bugs。尤其是在我们的数据结构只有部分是通过引用传递的。切片就是这么一个很好的例子。后续我会作出更加详细的讲解。

在处理经过多级变换或 状态 的数据时,不可变数据结构是非常有用的。不可变仅意味着原始结构是不可以被改变的,而每一个新的结构副本都是以新的属性值创建。

让我们看个简单的例子:

type Person struct {
    Name           string
    FavoriteColors []string
}

显然,我们可以实例化一个 Person 然后随心所欲地更改它的属性。事实上,这样做并没有任何错。但是,当你处理更加复杂的、传递引用和切片的嵌套式数据结构,或者利用通道传递副本时,以某些姿势更改这些共享的数据副本可能会导致不易察觉的 bugs。

为啥我之前就没有遇到过这种问题呢?

如果没有重度使用 channel 或代码基本是串行执行的,由于从定义上讲每次只有一个操作能够作用在数据上,你不大可能会遇见这些不明显的 bugs。

再者,除了避免 bugs外,不可变数据结构还有其他优势:

  1. 由于状态绝不会原地更新,这对一般的调试和记录每个变换步骤以用于后续监控是非常有用的
  2. 撤销或“时光倒流”的能力不仅是可能的,而且是小菜一碟,只需一个赋值操作即可
  3. 由于正确且安全的实现需要损失性能和费尽心思地仔细设置/测试内存锁,共享状态被广泛认为是糟糕的做法

Getter 和 Wither

Getter 返回数据, setter 改变数据, wither 创建新状态。

基于 getter 和 wither,我们可以精准控制能被改变的属性。这也为我们提供了一种记录变换的有效方式(后续)。

新的代码如下:

type Person struct {
    name           string
    favoriteColors []string
}

func (p Person) WithName(name string) Person {
    p.name = name
    return p
}

func (p Person) Name() string {
    return p.name
}

func (p Person) WithFavoriteColors(favoriteColors []string) Person {
    p.favoriteColors = favoriteColors
    return p
}

func (p Person) FavoriteColors() []string {
    return p.favoriteColors
}

需要注意的关键点如下:

  1. Person 的属性都是私有的,因此外部包无法绕过 Person 提供的方法来访问其属性

  2. Person 的方法接收的不是 *Person 。这就保证了结构通过值传递,返回的也是值

  3. 注意一下:我用了“With”而不是“Set”来表明重要的是返回值且原始对象并没有像调用 setter 那样被更改

  4. 对同一个包下的代码来说,所有属性依然是可访问(也就可更改)的。我们绝不应该直接和属性交互,而是在同一个包下也应一直坚持使用方法

  5. 每个 wither 返回的都是 Person ,所以他们是可串联的

    me := Person{}.
        WithName("Elliot").
        WithFavoriteColors([]string{"black", "blue"})
    
    fmt.Printf("%+#v\n", me)
    // main.Person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"black", "blue"}}

处理切片

目前为止仍然不是完美的,因为对于最爱颜色我们返回的是切片。由于切片通过引用传递,我们来看看这么一个稍不留神就会忽略的 bug:

func updateFavoriteColors(p Person) Person {
    colors := p.FavoriteColors()
    colors[0] = "red"

    return p
}

func main() {
    me := Person{}.
        WithName("Elliot").
        WithFavoriteColors([]string{"black", "blue"})

    me2 := updateFavoriteColors(me)

    fmt.Printf("%+#v\n", me)
    fmt.Printf("%+#v\n", me2)
}

// main.Person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"red", "blue"}}
// main.Person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"red", "blue"}}

我们想要改变第一种颜色,但是连带地改变了 me 变量。因为在复杂应用程序中这不会导致代码无法运行,试图搜寻出这么个变化是相当烦人和耗时的。

解决方法之一是确保我们绝不通过索引赋值,而是永远都是分配一个新的切片:

func updateFavoriteColors(p Person) Person {
    return p.WithFavoriteColors(append([]string{"red"}, p.FavoriteColors()[1:]...))
}

// main.Person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"black", "blue"}}
// main.Person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"red", "blue"}}

在我看来,这有点拙而且容易出错。更好的方式是一开始就不返回切片。拓展我们的 getter 和 wither 来仅对元素操作(而不是整个切片):

func (p Person) NumFavoriteColors() int {
    return len(p.favoriteColors)
}

func (p Person) FavoriteColorAt(i int) string {
    return p.favoriteColors[i]
}

func (p Person) WithFavoriteColorAt(i int, favoriteColor string) Person {
    p.favoriteColors = append(p.favoriteColors[:i],
        append([]string{favoriteColor}, p.favoriteColors[i+1:]...)...)


    return p
}

译者注:上述代码是错误的,如果 p.favoriteColors 的容量大于 i 则会就地改变副本的 favoriteColors ,参见 反例 ,稍作调整即可得到 正确实现

现在我们就可以放心使用:

func updateFavoriteColors(p Person) Person {
    return p.WithFavoriteColorAt(0, "red")
}

想要了解更多切片的妙用参见这篇牛逼的wiki:https://github.com/golang/go/wiki/SliceTricks

构造函数

某些情况下,我们会假设结构体的默认值是合理的。但是,强烈建议总是创建构造函数,一旦将来需要改变默认值时,我们只需要改动一个地方:

func NewPerson() Person {
    return Person{}
}

你可以随心所欲地实例化 Person ,但个人偏爱总是通过 setter 来执行状态变换从而保持代码一致性:

func NewPerson() Person {
    return Person{}.
        WithName("No Name")
}

接口 (Interface)

到现在为止,我们使用的还是公有的结构体。任由这些结构体方法摆布之下,加上创建 mock 可能会引发非预期的副作用,测试起来会很痛苦。

我们可以创建一个同名的接口,并把相应的结构体重命名为 person 使之私有化:

type Person interface {
    WithName(name string) Person
    Name() string
    WithFavoriteColors(favoriteColors []string) Person
    NumFavoriteColors() int
    FavoriteColorAt(i int) string
    WithFavoriteColorAt(i int, favoriteColor string) Person
}

type person struct {
    name           string
    favoriteColors []string
}

我们现在就可以只重写想要替换的逻辑来创建测试 mock:

type personMock struct {
    Person
    receivedNewColor string
}

func (m personMock) WithFavoriteColorAt(i int, favoriteColor string) Person {
    m.receivedNewColor = favoriteColor
    return m
}

测试代码样例如下:

mock := personMock{}
result := updateFavoriteColors(mock)

result.(personMock).receivedNewColor // "red"

记录变化

如我早前所言,完整的状态转换非常有益于调试,而且我们可以 wither 来挂入钩子的方式捕捉到所有或部分变换过程:

func (p person) nextState() Person {
    fmt.Printf("nextState: %#+v\n", p)
    return p
}

func (p person) WithName(name string) Person {
    p.name = name
    return p.nextState() // <- Use "nextState" whenever you return.
}

对于更加复杂的逻辑或个人偏好,你也可以采用 defer 的方式:

func (p person) WithFavoriteColors(favoriteColors []string) Person {
    defer func() {
        p.nextState()
    }()

    p.favoriteColors = favoriteColors
    return p
}

这样变换就可看到了:

nextState: main.person{name:"No Name", favoriteColors:[]string(nil)}
nextState: main.person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string(nil)}
nextState: main.person{name:"Elliot", favoriteColors:[]string{"black", "blue"}}

你可以添加更多诸如此类的信息。例如,时间戳、栈追踪记录和其他自定义的上下文信息来使得调试更加容易。

历史及回滚

除了打印变化之外,我们还可以收集这些状态作为历史:

type Person interface {
    // ...
    AtVersion(version int) Person
}

type person struct {
    // ...
    history        []person
}

func (p *person) nextState() Person {
    p.history = append(p.history, *p)
    return *p
}

func (p person) AtVersion(version int) Person {
    return p.history[version]
}

func main() {
    me := NewPerson().
        WithName("Elliot").
        WithFavoriteColors([]string{"black", "blue"})

    // We discard the result, but it will be put into the history.
    updateFavoriteColors(me)

    fmt.Printf("%s\n", me.AtVersion(0).Name())
    fmt.Printf("%s\n", me.AtVersion(1).Name())
}

// No Name
// Elliot

这非常利于最后进行审查。记录所有日志打印的历史对处理后续异常的场景也是很有用的,如果不需要的话,让历史随实例消亡即可。

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