阐述 JavaScript Immutable.js 或 Immer 等库如何通过结构共享 (Structural Sharing) 优化不可变数据操作的性能。

各位靓仔靓女，晚上好！我是今晚的讲师，人称“代码界的段子手”，今天给大家带来的分享主题是：JavaScript 不可变数据操作的黑魔法：结构共享！ 别被这名字吓到，其实超级简单，学完你也能变成“不可变数据流氓”。

咱们都知道，在前端开发中，状态管理是个大坑。一不小心，数据就被改得面目全非，调试起来简直是噩梦。于是，不可变数据结构闪亮登场，它就像一个忠贞不渝的骑士，保证数据永远不会被原地修改。

但是！问题来了，每次修改都创建新的对象，这性能损耗也太大了吧？难道我们就只能在“数据安全”和“性能”之间二选一吗？

No！No！No！ 接下来，我要给大家介绍的就是解决这个问题的神器：结构共享（Structural Sharing）。

一、 什么是结构共享？

想象一下，你和你的小伙伴合租了一套房子。你们都有自己的房间，但厨房、客厅是共享的。如果你的小伙伴把厨房的墙刷成了蓝色，你的房间会变蓝吗？当然不会！这就是结构共享的思想。

在不可变数据结构中，结构共享指的是：当修改一个不可变对象时，如果修改的部分很少，那么新的对象会尽可能地重用旧对象的结构，只创建修改的部分。 这样，既保证了数据的不可变性，又避免了不必要的内存复制，大大提高了性能。

二、 Immutable.js 和 Immer：结构共享的两位大佬

在 JavaScript 世界里，Immutable.js 和 Immer 是两个非常流行的不可变数据操作库，它们都大量使用了结构共享来优化性能。

1. Immutable.js：老牌劲旅

Immutable.js 是 Facebook 出品的，它提供了一系列不可变数据结构，比如 List、Map、Set 等。

• Immutable.js 的结构共享机制

  Immutable.js 使用了一种叫做 “Trie” 的数据结构来实现结构共享。Trie 是一种树形结构，它的每个节点可以有多个子节点。

  当修改一个 Immutable.js 对象时，Immutable.js 会沿着 Trie 树查找需要修改的节点，然后创建一个新的节点，指向修改后的值。而其他没有修改的节点，则会直接被复用。

  举个例子，假设我们有一个 Immutable.js 的 Map 对象：

  const { Map } = require('immutable');
  
  const map1 = Map({ a: 1, b: 2, c: 3 });

  这个 map1 对应的 Trie 树大概是这样的（简化版）：

  Root
  ├── a: 1
  ├── b: 2
  └── c: 3

  现在，我们要修改 map1 中的 a 值为 10：

  const map2 = map1.set('a', 10);

  map2 对应的 Trie 树会变成这样：

  Root'
  ├── a: 10  <-- 新节点
  ├── b: 2   <-- 复用节点
  └── c: 3   <-- 复用节点

  可以看到，只有 a 节点被创建了一个新的节点，而 b 和 c 节点则直接被复用了。这就是结构共享的威力！

• 代码示例

  const { Map } = require('immutable');
  
  // 创建一个 Immutable Map
  const map1 = Map({ a: 1, b: 2, c: 3 });
  
  // 修改 'a' 的值
  const map2 = map1.set('a', 10);
  
  // 比较引用
  console.log(map1 === map2); // false，因为 map2 是一个新的对象
  
  // 比较 'b' 和 'c' 的引用
  console.log(map1.get('b') === map2.get('b')); // true，因为 'b' 和 'c' 的节点被复用了
  console.log(map1.get('c') === map2.get('c')); // true，因为 'b' 和 'c' 的节点被复用了

  这个例子清楚地展示了，即使 map2 是一个新的对象，但它仍然复用了 map1 中的部分结构。

• Immutable.js 的优点和缺点

  优点	缺点
  性能好（尤其是在大型数据集上）	需要学习新的 API，与原生 JavaScript 对象的互操作性较差
  数据结构丰富，功能强大	包体积较大
  类型安全（可以与 TypeScript 很好地配合）	Debug 困难（因为 Immutable.js 对象不容易直接查看）

2. Immer：后起之秀

Immer 是一个相对较新的库，它使用一种叫做 “copy-on-write” 的技术来实现不可变数据操作。

• Immer 的 copy-on-write 机制

  Immer 的核心思想是：允许你像操作普通 JavaScript 对象一样修改数据，但实际上 Immer 会在幕后创建一个数据的副本，并在修改完成后返回这个副本。

  这个副本就是通过 copy-on-write 技术实现的。当 Immer 发现你要修改某个对象时，它会创建一个该对象的浅拷贝。然后，你就可以在这个浅拷贝上进行任意修改。

  在修改过程中，如果 Immer 发现某个子对象也被修改了，那么它也会创建一个该子对象的浅拷贝。以此类推，直到所有被修改的对象都被拷贝了一遍。

  而那些没有被修改的对象，则会直接被复用，这就是结构共享。

  听起来有点绕，我们来看个例子：

  import produce from "immer"
  
  const baseState = {
      name: "张三",
      age: 30,
      address: {
          city: "北京",
          street: "长安街"
      },
      hobbies: ["coding", "reading"]
  };
  
  const nextState = produce(baseState, draft => {
      draft.age = 31;
      draft.address.city = "上海";
      draft.hobbies.push("swimming");
  });

  在这个例子中，我们使用 produce 函数来创建一个新的状态 nextState。在 produce 函数的回调函数中，我们可以像操作普通 JavaScript 对象一样修改 draft 对象。

  Immer 会在幕后创建一个 baseState 的副本，并将其作为 draft 对象传递给回调函数。然后，Immer 会检测到 age、address.city 和 hobbies 被修改了，于是它会创建这些属性的浅拷贝。

  而 name 属性则没有被修改，所以它会被直接复用。

• 代码示例

  import produce from "immer"
  
  const baseState = {
      name: "张三",
      age: 30,
      address: {
          city: "北京",
          street: "长安街"
      },
      hobbies: ["coding", "reading"]
  };
  
  const nextState = produce(baseState, draft => {
      draft.age = 31;
      draft.address.city = "上海";
      draft.hobbies.push("swimming");
  });
  
  // 比较引用
  console.log(baseState === nextState); // false，因为 nextState 是一个新的对象
  console.log(baseState.address === nextState.address); // false，因为 address 被修改了，所以 nextState.address 是一个新的对象
  console.log(baseState.hobbies === nextState.hobbies); // false, 因为 hobbies 被修改了，所以 nextState.hobbies 是一个新的对象
  console.log(baseState.name === nextState.name); // true，因为 name 没有被修改，所以 nextState.name 复用了 baseState.name 的引用

  这个例子展示了 Immer 如何通过 copy-on-write 技术和结构共享来高效地创建新的不可变状态。

• Immer 的优点和缺点

  优点	缺点
  API 简单易用，学习成本低	性能可能不如 Immutable.js（尤其是在大型数据集上，因为需要创建大量的浅拷贝）
  与原生 JavaScript 对象的互操作性好	produce 函数内部使用了 Proxy，可能存在兼容性问题（老的浏览器可能不支持 Proxy）
  可以直接使用原生 JavaScript 的语法来修改数据	Debug 困难（因为 Immer 会在幕后创建数据的副本，不容易直接查看）

三、 结构共享的性能分析

结构共享到底能带来多大的性能提升呢？我们来简单分析一下。

假设我们有一个包含 1000 个元素的数组，现在我们要修改其中的一个元素。

• 如果不使用结构共享，我们需要创建一个包含 1000 个元素的全新数组，这需要消耗大量的内存和 CPU 时间。

• 如果使用结构共享，我们只需要创建一个新的元素，并将其他 999 个元素复用。这大大减少了内存分配和复制的开销。

我们可以用表格来更直观地比较一下：

操作	不使用结构共享	使用结构共享
创建新数组	1000	1
复制元素	1000	0
复用元素	0	999
内存消耗	大	小
CPU 消耗	高	低

从表格中可以看出，结构共享在性能方面具有显著优势。尤其是在大型数据集上，这种优势会更加明显。

四、 结构共享的应用场景

结构共享在前端开发中有很多应用场景，比如：

• Redux/Vuex 等状态管理框架：这些框架通常会使用不可变数据结构来管理应用状态。结构共享可以帮助它们高效地更新状态，避免不必要的性能损耗。

• React 的 PureComponent 和 shouldComponentUpdate：这些 API 可以帮助我们避免不必要的组件渲染。如果组件的 props 或 state 没有发生变化，那么组件就不会重新渲染。而结构共享可以帮助我们快速判断 props 或 state 是否发生了变化。

• 富文本编辑器：富文本编辑器通常需要处理大量的数据。结构共享可以帮助我们高效地更新文档内容，避免卡顿。

五、 结构共享的注意事项

在使用结构共享时，需要注意以下几点：

• 避免意外修改：虽然结构共享可以提高性能，但它也可能导致一些意外的问题。比如，如果你不小心修改了被共享的对象，那么所有使用该对象的组件都会受到影响。因此，在使用结构共享时，一定要确保你的代码不会意外修改共享对象。

• 深度比较：在某些情况下，我们需要进行深度比较才能判断两个对象是否相等。比如，如果对象包含嵌套的子对象，那么我们需要递归地比较每个子对象。深度比较可能会导致性能下降，因此我们需要谨慎使用。

• 权衡利弊：结构共享并不是万能的。在某些情况下，它可能会带来额外的复杂性。因此，我们需要权衡利弊，选择最适合我们场景的方案。

六、 总结

结构共享是一种非常有效的优化不可变数据操作性能的技术。它可以帮助我们避免不必要的内存复制，提高应用的响应速度。

Immutable.js 和 Immer 是两个非常流行的 JavaScript 不可变数据操作库，它们都大量使用了结构共享。

在使用结构共享时，我们需要注意避免意外修改、深度比较和权衡利弊。

好了，今天的分享就到这里。希望大家能够掌握结构共享的黑魔法，并在实际开发中灵活运用。

最后，送给大家一句代码界的至理名言：“代码虐我千百遍，我待代码如初恋！” 祝大家编程愉快！ 下课！