Python函數(shù)式編程：不可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
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實(shí)現(xiàn)它。
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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)帶來麻煩，那很棒。如果你還沒有被說服，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始。如果我們拋開實(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嗎？
子類的定義基于里氏替換原則。一個(gè)子類必須能夠完成超類所做的一切。
如何為矩形定義接口？
from zope.interface import Interfaceclass 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：如果長(zhǎng)度和寬度不等，它就無法對(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），但它本身并沒有變，依然是一個(gè)正方形。
這似乎像是個(gè)學(xué)術(shù)問題 —— 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。
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.widthTraceback (most recent call last):File "", line 1, in AssertionError
無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩類功能，意味著這兩個(gè)類無法構(gòu)成繼承關(guān)系，即使 ISquare 是 IRectangle 的子類。問題來自 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)類型和子類的思考變得更加困難 —— 放棄變換的能力，意味著我們的直覺所希望的類型間關(guān)系能夠成立了。
可變性還會(huì)帶來作用域方面的影響。當(dāng)一個(gè)共享對(duì)象被兩個(gè)地方的代碼改變時(shí)，這種問題就會(huì)發(fā)生。一個(gè)經(jīng)典的例子是兩個(gè)線程同時(shí)改變一個(gè)共享變量。不過在單線程程序中，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)言的角度來思考，大多數(shù)對(duì)象都可以從很多位置來訪問：比如在模塊全局變量，或在一個(gè)堆棧跟蹤中，或者以類屬性來訪問。
如果我們無法對(duì)共享做出約束，那我們可能要考慮對(duì)可變性來進(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()@classmethoddef 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()@classmethoddef 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)建的類成為不可變類型。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 blog 依然不變。這意味著任何擁有舊對(duì)象引用的人都沒有受到影響：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思考我們的代碼，以及如何在不帶來過大性能負(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)象來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的程序結(jié)構(gòu)。
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