函數式編程中的 Immutable 數據結構

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原視頻鏈接:https://www.youtube.com/watch?v=Wo0qiGPSV-s by Anjana Vakil@JSConf 概述 函數式編程避免了很多命令式和麵向對象的編程的問題。 在函數中,數據輸入,數據輸出和數據轉換就是這個函數的目的功能。 與之緊密相連的,就是要避免可變性 ...


原視頻鏈接:https://www.youtube.com/watch?v=Wo0qiGPSV-s by Anjana Vakil@JSConf

概述

  函數式編程避免了很多命令式和麵向對象的編程的問題。

  在函數中,數據輸入,數據輸出和數據轉換就是這個函數的目的功能。

 

  與之緊密相連的,就是要避免可變性帶來的副作用。所以,不變性在這裡就顯得很酷。

 

  假如我們有一個數組zoo,裡面存放著一排數據。依次存放猴子、兔子、熊貓、狗熊、章魚、青蛙、老虎、考拉這八個動物。而我們需要用外星人取代兔子的位置。如果直接把外星人替代兔子的位置則改變了整個數組,即觸發了可變性。通常的解決辦法是,將原數組zoo複製成一個新數組newZoo。再將裡面的兔子替換成外星人。這樣即能避免觸發可變性。但不可忽略的是,當原數組越大,這一過程會占用大量的時間和空間。copying wastes time / space。因此,如果要實現不變性,我們必須找到更好的方法。

 

解決方案

關於有效地實現不變性的解決方案:

  1. 不變的數據結構!like rock,just sit.
  2. 持久數據結構

    持久數據能訪問其舊版本的數據。因此,我們一直在創建新的修改版本的同時保留了舊版本。部分持久性數據結構使我們可以訪問它們,但不能返回並更新其中任何數據,我們只能修改最新版本。還有完全持久性數據結構,我們可以回去更新任何過去的版本,it's version control like git.

  我們將這些統稱為持久不可變數據結構,特點是持久且不變。so,what should we do?

 

  所有的這些關鍵是,我們想要舊的數據版本,例如上面提到的原始數組zoo,我們只是想讓它保持不變,like rock. 但同時又能有效地創建新版本。所以,Trees and sharing (樹結構和共用)來拯救我們了。

  想象一下,將我們的數組zoo表示為一棵樹,每片葉子擁有一個值,一隻動物。讓我們把它們每兩個放在一起。like this:

  

結構不斷上升,現在得到根是一個表示為一棵樹的數組:

  

 

  基於這種數據結構,我們如何來更新我們的數據?(用外星人來替換兔子的位置)

  鑒於我的數據是永遠不變的,所以在這裡我們要做的是,先找出我要更改的節點;然後創建一個副本,兔子換成了外星人;再然後需要複製所有指向該節點之上的中間層節點;相當於基本上找到一條通往根的路徑,且有了新的根 called new :

  

表示數據的另一個版本。這種複製從葉子到根節點的做法稱為 路徑複製(path copying)。如今我們沒有複製整個數組,只需要複製從根到我改變的葉子之間的節點。因此,時間複雜度從 O(N) 變成 O(logN) ,性能更高,that's pretty cool.

  黃色部分的節點在兩個版本之間共用。因此,記憶體的消耗變小了,因為可以重用原始的部分,且不必複製沒有改變的東西。這就是所謂的結構變更,共用樹的結構在兩個版本之間。

  事實證明這是一種叫做 TRIE(來自“retrieval”-- 檢索) 的特殊樹結構。

  TRIE 是一種樹,葉子代表值,到達葉子節點的路徑是值相關的鍵值。我們可以將二進位數作為索引,我們可以 bit-by-bit 逐漸查找樹,for example(找索引為 5 的青蛙):

  

  At the same time, 當索引值很大的時候,like zoo[ 18977 ] 則對應 zoo[ 0b10001000100001 ] ,意味著這將是一棵非常深的樹,有 15 層。因此,在每個層級建立更多的分支,比如我們可以將其分成 5 位,zoo -> 10010 -> 10001 -> 00001,則只有 3 層分支。這是樹的深度與廣度之間的取捨。研究發現 32 在深度和廣度之間是一個很好的權衡。

  當我們希望非整數作為鍵,應該怎麼做?

  它不再是數組,而是對象。like M for monkey and P for panda。此處 鍵 是字元串。Broaden your mind,哈希表!因此,如果我想查找 “M”關聯的值,我們可以對“M”進行哈希處理,得到數字索引。So,我們根據鍵的二進位表示搜索樹,使用了哈希函數把任意對象轉換成一個數字(即索引值)。

 

  綜上,可變性讓人頭疼,函數式編程時尤其要避免。因為函數式編程就是關於避免副作用,只使用純函數

純函數除了計算輸入輸出之外不改變任何東西,而且不變性很好。

  在 Javascript 中,有一些很棒的庫可以幫助我們使用這些數據結構。如:

  • Mori

        Mori基本上是Clojure Script 的移植,作者是David Nolan。這些數據結構的實現來自Clojure Script 把 Clojure 編譯成原生 JavaScript。它的API是函數式的。

  

  

  •  Immutable.js

Facebook推出,由Lee Byron 創建。這是一個JavaScript實現的數據結構。儘管它返回的是新版本的數據結構,而不是原位改變數據。

  

  它不是數組,是一個JS列表

  

 

  兩者區別

  

  


 

  感謝您的閱讀,文章中如有敘述不恰當的地方望不吝賜教。


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