PHP中的不可变数据结构（Immutable Data Structures）：利用PCollections库优化内存共享 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

PHP 中的不可变数据结构：利用 PCollections 库优化内存共享

大家好，今天我们来聊聊 PHP 中的不可变数据结构，以及如何利用 PCollections 库来实现内存优化。在现代 PHP 开发中，性能和内存管理变得越来越重要。不可变数据结构提供了一种优雅的方式来解决共享数据带来的问题，同时提高应用程序的效率。

什么是不可变数据结构？

简单来说，不可变数据结构是指一旦创建后就无法被修改的数据结构。任何对其的修改操作都会返回一个新的数据结构，而原始数据结构保持不变。这与 PHP 中常见的可变数据结构形成对比，比如数组和对象，它们可以通过引用传递并直接修改。

不可变数据结构的优势

线程安全： 在多线程环境中，不可变数据结构天然是线程安全的，因为不存在竞态条件。多个线程可以安全地访问同一个不可变数据结构，而无需担心数据损坏或不一致。
简化调试： 由于数据结构一旦创建就不能被修改，因此更容易追踪数据的变化。如果数据出现了问题，可以确定问题一定发生在创建数据结构的地方。
提高性能： 虽然每次修改都会创建一个新的数据结构，但这可以避免在可变数据结构中常见的复制操作。尤其是在共享数据的情况下，不可变数据结构可以显著提高性能，因为它允许多个对象共享相同的数据结构，而无需进行深拷贝。
简化代码： 不可变数据结构可以简化代码的编写，因为不需要担心数据被意外修改。这可以减少出错的可能性，并提高代码的可读性和可维护性。
缓存友好： 因为不可变数据结构的哈希值一旦计算出来就不会改变，这使得它非常适合用作缓存键。

PHP 中实现不可变数据结构的挑战

PHP 是一门动态类型的脚本语言，它本身并没有内置的不可变数据结构。因此，我们需要借助一些库或者自己实现。直接在 PHP 中实现不可变数据结构可能会比较复杂，因为它需要处理对象的克隆、防止属性被修改等问题。

PCollections 库：PHP 的不可变数据结构解决方案

PCollections 是一个 PHP 库，它提供了一组不可变数据结构，包括：

Vector: 一个不可变的数组，类似于 PHP 的数组，但它是不可变的。
Map: 一个不可变的键值对集合，类似于 PHP 的关联数组，但它是不可变的。
Set: 一个不可变的唯一值集合。
Queue: 一个不可变的队列。
Stack: 一个不可变的栈。

PCollections 库使用了一种称为 结构共享 (Structural Sharing) 的技术来实现不可变性。这意味着，当修改一个不可变数据结构时，只有修改的部分会被复制，而其他部分会被共享。这可以有效地减少内存的使用，并提高性能。

PCollections 库的使用示例

首先，你需要通过 Composer 安装 PCollections 库：

composer require pcollections/pcollections

安装完成后，就可以在 PHP 代码中使用 PCollections 提供的不可变数据结构了。

1. 不可变 Vector (数组)

<?php

use PCollectionsVector;

// 创建一个空的不可变 Vector
$vector = Vector::empty();

// 向 Vector 中添加元素
$vector1 = $vector->plus(1);
$vector2 = $vector1->plus(2);
$vector3 = $vector2->plus(3);

// 打印 Vector 的内容
print_r($vector3->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 1 [1] => 2 [2] => 3 )

// 原始的 Vector 仍然是空的
print_r($vector->toArray()); // 输出: Array ( )

// 不可变 Vector 的索引访问
echo $vector3->get(1); // 输出: 2

// 尝试修改 Vector 中的元素会抛出异常
try {
    $vector3->set(1, 4); // 这会抛出异常
} catch (Exception $e) {
    echo "Exception: " . $e->getMessage() . "n"; // 输出: Exception: Cannot modify immutable vector
}

// 创建一个包含初始值的不可变 Vector
$initialVector = Vector::fromArray([4, 5, 6]);
print_r($initialVector->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 4 [1] => 5 [2] => 6 )

在上面的例子中，每次向 Vector 中添加元素时，都会创建一个新的 Vector 对象。原始的 Vector 对象保持不变。这意味着 Vector 是不可变的。

2. 不可变 Map (关联数组)

<?php

use PCollectionsMap;

// 创建一个空的不可变 Map
$map = Map::empty();

// 向 Map 中添加键值对
$map1 = $map->plus('a', 1);
$map2 = $map1->plus('b', 2);
$map3 = $map2->plus('c', 3);

// 打印 Map 的内容
print_r($map3->toArray()); // 输出: Array ( [a] => 1 [b] => 2 [c] => 3 )

// 原始的 Map 仍然是空的
print_r($map->toArray()); // 输出: Array ( )

// 不可变 Map 的键访问
echo $map3->get('b'); // 输出: 2

// 检查 Map 中是否存在某个键
if ($map3->containsKey('a')) {
    echo "Map contains key 'a'n"; // 输出: Map contains key 'a'
}

// 删除 Map 中的键
$map4 = $map3->minus('b');
print_r($map4->toArray()); // 输出: Array ( [a] => 1 [c] => 3 )

// 创建一个包含初始值的不可变 Map
$initialMap = Map::fromArray(['d' => 4, 'e' => 5, 'f' => 6]);
print_r($initialMap->toArray()); // 输出: Array ( [d] => 4 [e] => 5 [f] => 6 )

与 Vector 类似，每次向 Map 中添加或删除键值对时，都会创建一个新的 Map 对象。原始的 Map 对象保持不变。

3. 不可变 Set (集合)

<?php

use PCollectionsSet;

// 创建一个空的不可变 Set
$set = Set::empty();

// 向 Set 中添加元素
$set1 = $set->plus(1);
$set2 = $set1->plus(2);
$set3 = $set2->plus(3);
$set4 = $set3->plus(2); // 添加重复元素

// 打印 Set 的内容
print_r($set4->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 1 [1] => 2 [2] => 3 )

// 原始的 Set 仍然是空的
print_r($set->toArray()); // 输出: Array ( )

// 检查 Set 中是否存在某个元素
if ($set4->contains(2)) {
    echo "Set contains element 2n"; // 输出: Set contains element 2
}

// 删除 Set 中的元素
$set5 = $set4->minus(2);
print_r($set5->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 1 [1] => 3 )

// 创建一个包含初始值的不可变 Set
$initialSet = Set::fromArray([4, 5, 6, 5]);
print_r($initialSet->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 4 [1] => 5 [2] => 6 )

Set 确保集合中的元素是唯一的。添加重复元素不会改变集合的内容。

4. 不可变 Queue (队列)

<?php

use PCollectionsQueue;

// 创建一个空的不可变 Queue
$queue = Queue::empty();

// 向 Queue 中添加元素
$queue1 = $queue->enqueue(1);
$queue2 = $queue1->enqueue(2);
$queue3 = $queue2->enqueue(3);

// 打印 Queue 的内容
print_r($queue3->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 1 [1] => 2 [2] => 3 )

// 原始的 Queue 仍然是空的
print_r($queue->toArray()); // 输出: Array ( )

// 从 Queue 中移除元素
$queue4 = $queue3->dequeue();
print_r($queue4[0]->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 2 [1] => 3 )
echo $queue4[1]; // 输出: 1 (移除的元素)

// 创建一个包含初始值的不可变 Queue
$initialQueue = Queue::fromArray([4, 5, 6]);
print_r($initialQueue->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 4 [1] => 5 [2] => 6 )

Queue 按照先进先出 (FIFO) 的原则进行操作。

5. 不可变 Stack (栈)

<?php

use PCollectionsStack;

// 创建一个空的不可变 Stack
$stack = Stack::empty();

// 向 Stack 中添加元素
$stack1 = $stack->push(1);
$stack2 = $stack1->push(2);
$stack3 = $stack2->push(3);

// 打印 Stack 的内容
print_r($stack3->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 3 [1] => 2 [2] => 1 )

// 原始的 Stack 仍然是空的
print_r($stack->toArray()); // 输出: Array ( )

// 从 Stack 中移除元素
$stack4 = $stack3->pop();
print_r($stack4[0]->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 2 [1] => 1 )
echo $stack4[1]; // 输出: 3 (移除的元素)

// 创建一个包含初始值的不可变 Stack
$initialStack = Stack::fromArray([4, 5, 6]);
print_r($initialStack->toArray()); // 输出: Array ( [0] => 6 [1] => 5 [2] => 4 )

Stack 按照后进先出 (LIFO) 的原则进行操作。

结构共享的优势

PCollections 使用结构共享来避免不必要的复制。例如，假设你有一个包含 1000 个元素的 Vector，然后你想要添加一个新的元素。使用结构共享，PCollections 只会创建一个新的包含 1001 个元素的 Vector，但它会共享原始 Vector 中的 1000 个元素。只有最后一个元素会被复制。

这可以显著提高性能，尤其是在处理大型数据结构时。

何时使用不可变数据结构？

当多个对象需要共享相同的数据时。 使用不可变数据结构可以避免深拷贝，从而提高性能。
当需要确保数据不被意外修改时。 使用不可变数据结构可以提高代码的可靠性。
在多线程环境中。 使用不可变数据结构可以避免竞态条件，从而提高线程安全性。
在函数式编程中。 不可变数据结构是函数式编程的重要组成部分。

性能考量

虽然不可变数据结构有很多优点，但也需要注意一些性能考量：

每次修改都会创建一个新的对象。 这可能会导致大量的内存分配，尤其是在频繁修改数据结构的情况下。
垃圾回收的压力。 大量的对象创建会增加垃圾回收的压力。

因此，在使用不可变数据结构时，需要权衡其优点和缺点，并根据实际情况进行选择。

PCollections 库与其他不可变数据结构库的比较

除了 PCollections 之外，还有一些其他的 PHP 不可变数据结构库，例如 immutable-php。这些库通常提供类似的功能，但可能在性能、API 设计和依赖关系方面有所不同。在选择库时，应考虑项目的具体需求和偏好。

下表简要比较了 PCollections 和其他一些潜在的替代方案：

特性	PCollections	其他库 (例如 immutable-php)
实现方式	结构共享	可能不同 (例如克隆)
性能	针对共享进行了优化	可能需要根据具体情况评估
API 设计	基于 `plus`, `minus`, `get` 等	可能有所不同
依赖关系	轻量级	可能有不同的依赖
社区支持	活跃	可能不同

代码示例：使用 PCollections 优化数据共享

假设你有一个 User 类，其中包含用户的姓名和地址。地址也是一个对象，包含街道、城市和邮政编码。

<?php

class Address
{
    private $street;
    private $city;
    private $zipCode;

    public function __construct(string $street, string $city, string $zipCode)
    {
        $this->street = $street;
        $this->city = $city;
        $this->zipCode = $zipCode;
    }

    public function getStreet(): string
    {
        return $this->street;
    }

    public function getCity(): string
    {
        return $this->city;
    }

    public function getZipCode(): string
    {
        return $this->zipCode;
    }

    public function withStreet(string $street): self
    {
        $newAddress = clone $this;
        $newAddress->street = $street;
        return $newAddress;
    }

    public function withCity(string $city): self
    {
        $newAddress = clone $this;
        $newAddress->city = $city;
        return $newAddress;
    }

      public function withZipCode(string $zipCode): self
    {
        $newAddress = clone $this;
        $newAddress->zipCode = $zipCode;
        return $newAddress;
    }
}

class User
{
    private $name;
    private $address;

    public function __construct(string $name, Address $address)
    {
        $this->name = $name;
        $this->address = $address;
    }

    public function getName(): string
    {
        return $this->name;
    }

    public function getAddress(): Address
    {
        return $this->address;
    }

    public function withName(string $name): self
    {
        $newUser = clone $this;
        $newUser->name = $name;
        return $newUser;
    }

    public function withAddress(Address $address): self
    {
        $newUser = clone $this;
        $newUser->address = $address;
        return $newUser;
    }
}

// 创建一个 Address 对象
$address = new Address('123 Main St', 'Anytown', '12345');

// 创建一个 User 对象
$user1 = new User('Alice', $address);

// 创建一个新的 User 对象，共享相同的 Address 对象
$user2 = new User('Bob', $address);

// 修改 user1 的地址
$newAddress = new Address('456 Oak Ave', 'Anytown', '67890');
$user1 = $user1->withAddress($newAddress);

// user2 的地址仍然是原始的地址
echo $user2->getAddress()->getStreet(); // 输出: 123 Main St

在这个例子中，Address 和 User 类都使用了克隆的方式来实现不可变性。每次修改地址或用户信息时，都会创建一个新的对象。虽然这种方式可以确保数据的不可变性，但它可能会导致大量的内存分配。

现在，我们使用 PCollections 库来优化这个例子。

<?php

use PCollectionsMap;

class ImmutableAddress
{
    private $data;

    public function __construct(string $street, string $city, string $zipCode)
    {
        $this->data = Map::fromArray([
            'street' => $street,
            'city' => $city,
            'zipCode' => $zipCode,
        ]);
    }

    public function getStreet(): string
    {
        return $this->data->get('street');
    }

    public function getCity(): string
    {
        return $this->data->get('city');
    }

    public function getZipCode(): string
    {
        return $this->data->get('zipCode');
    }

    public function withStreet(string $street): self
    {
        $newAddress = clone $this;
        $newAddress->data = $this->data->plus('street', $street);
        return $newAddress;
    }

    public function withCity(string $city): self
    {
        $newAddress = clone $this;
        $newAddress->data = $this->data->plus('city', $city);
        return $newAddress;
    }

     public function withZipCode(string $zipCode): self
    {
        $newAddress = clone $this;
        $newAddress->data = $this->data->plus('zipCode', $zipCode);
        return $newAddress;
    }
}

class ImmutableUser
{
    private $data;

    public function __construct(string $name, ImmutableAddress $address)
    {
        $this->data = Map::fromArray([
            'name' => $name,
            'address' => $address,
        ]);
    }

    public function getName(): string
    {
        return $this->data->get('name');
    }

    public function getAddress(): ImmutableAddress
    {
        return $this->data->get('address');
    }

    public function withName(string $name): self
    {
        $newUser = clone $this;
        $newUser->data = $this->data->plus('name', $name);
        return $newUser;
    }

    public function withAddress(ImmutableAddress $address): self
    {
        $newUser = clone $this;
        $newUser->data = $this->data->plus('address', $address);
        return $newUser;
    }
}

// 创建一个 ImmutableAddress 对象
$address = new ImmutableAddress('123 Main St', 'Anytown', '12345');

// 创建一个 ImmutableUser 对象
$user1 = new ImmutableUser('Alice', $address);

// 创建一个新的 ImmutableUser 对象，共享相同的 ImmutableAddress 对象
$user2 = new ImmutableUser('Bob', $address);

// 修改 user1 的地址
$newAddress = new ImmutableAddress('456 Oak Ave', 'Anytown', '67890');
$user1 = $user1->withAddress($newAddress);

// user2 的地址仍然是原始的地址
echo $user2->getAddress()->getStreet(); // 输出: 123 Main St

在这个例子中，我们使用 PCollectionsMap 来存储 Address 和 User 对象的数据。每次修改数据时，我们都使用 plus() 方法来创建一个新的 Map 对象。由于 PCollections 使用结构共享，因此只有修改的部分会被复制，而其他部分会被共享。这可以有效地减少内存的使用，并提高性能。

更高效的数据传递

在某些场景下，例如在微服务架构中，使用不可变数据结构可以简化数据传递。由于数据不可变，可以安全地将其传递给其他服务，而无需担心数据被修改。这可以减少服务之间的耦合，并提高系统的可维护性。

总结：不可变数据结构是提升PHP应用性能与可靠性的重要工具

我们讨论了 PHP 中不可变数据结构的概念、优势和使用场景，并重点介绍了 PCollections 库。通过结构共享，PCollections 能够有效地优化内存使用，并提高应用程序的性能。不可变数据结构在多线程环境、函数式编程以及需要共享数据等场景下尤其有用。

PHP 中的不可变数据结构：利用 PCollections 库优化内存共享

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