PHP中的不可变性（Immutability）设计：利用Closure与Readonly属性构建纯函数对象

PHP中的不可变性设计：利用Closure与Readonly属性构建纯函数对象

大家好！今天我们来深入探讨PHP中一个重要的概念：不可变性，以及如何利用Closure（闭包）和Readonly属性来构建纯函数对象。不可变性是函数式编程的核心原则之一，它有助于提高代码的可维护性、可测试性和可预测性。

什么是不可变性？

简单来说，不可变性是指对象一旦创建，其状态就不能被修改。这意味着对象的所有属性值都应该在构造时被初始化，并且之后不能通过任何方式更改。

不可变性的优势

• 可预测性： 由于对象的状态不可变，因此可以更容易地推断代码的行为。
• 线程安全： 不可变对象天生就是线程安全的，因为不存在并发修改的问题。
• 可测试性： 测试不可变对象更加容易，因为不需要考虑对象状态的改变。
• 可维护性： 不可变性减少了代码的复杂性，提高了代码的可维护性。
• 缓存友好： 不可变对象可以安全地缓存，提高性能。

PHP中的不可变性挑战

PHP是一种动态类型的语言，默认情况下，对象是可变的。这意味着我们可以随时修改对象的属性值。因此，在PHP中实现不可变性需要一些技巧。

使用Closure实现不可变性

闭包（Closure）是一种可以捕获其周围作用域变量的匿名函数。我们可以利用闭包来创建具有不可变状态的函数对象。

示例：使用Closure创建不可变计数器

<?php

function createCounter(int $initialValue = 0): Closure
{
    $count = $initialValue; // 捕获外部作用域的变量

    return function () use (&$count): int {
        return $count++; // 返回计数器的值并递增
    };
}

$counter1 = createCounter();
$counter2 = createCounter(10);

echo $counter1() . PHP_EOL; // 输出 0
echo $counter1() . PHP_EOL; // 输出 1
echo $counter2() . PHP_EOL; // 输出 10
echo $counter2() . PHP_EOL; // 输出 11

?>

在这个例子中，createCounter函数返回一个闭包。闭包捕获了外部作用域的$count变量。每次调用闭包时，$count变量的值都会递增并返回。虽然$count变量的值在闭包内部发生了改变，但闭包外部无法直接访问和修改$count，实现了某种程度的不可变性。

局限性： 虽然闭包可以隐藏状态，但仍然可以通过闭包本身来修改内部状态。严格意义上，这并不是完全的不可变性。

使用Readonly属性实现不可变性

PHP 8.1 引入了 readonly 属性，它允许我们声明一个属性只能在构造函数中初始化，之后就不能被修改。这为实现真正的不可变性提供了更强大的工具。

示例：使用Readonly属性创建不可变值对象

<?php

class Point
{
    public readonly int $x;
    public readonly int $y;

    public function __construct(int $x, int $y)
    {
        $this->x = $x;
        $this->y = $y;
    }

    public function getX(): int
    {
        return $this->x;
    }

    public function getY(): int
    {
        return $this->y;
    }

    public function distanceTo(Point $other): float
    {
        return sqrt(($this->x - $other->x) ** 2 + ($this->y - $other->y) ** 2);
    }
}

$point1 = new Point(10, 20);
$point2 = new Point(30, 40);

echo $point1->getX() . PHP_EOL; // 输出 10
echo $point1->getY() . PHP_EOL; // 输出 20
echo $point1->distanceTo($point2) . PHP_EOL; // 输出 28.284271247462

// 尝试修改 readonly 属性会抛出错误
// $point1->x = 50; // Fatal error: Uncaught Error: Cannot modify readonly property Point::$x

?>

在这个例子中，Point类的$x和$y属性被声明为readonly。这意味着它们只能在构造函数中被初始化，之后就不能被修改。如果尝试在构造函数之外修改readonly属性，PHP会抛出一个致命错误。

结合Closure和Readonly属性构建纯函数对象

我们可以将Closure和Readonly属性结合起来，构建更强大的纯函数对象。

示例：使用Closure和Readonly属性创建不可变的加法器

<?php

class Adder
{
    public readonly int $value;

    public function __construct(int $value)
    {
        $this->value = $value;
    }

    public function add(int $number): Adder
    {
        return new Adder($this->value + $number);
    }

    public function getValue(): int
    {
        return $this->value;
    }
}

$adder1 = new Adder(5);
$adder2 = $adder1->add(10);
$adder3 = $adder2->add(20);

echo $adder1->getValue() . PHP_EOL; // 输出 5
echo $adder2->getValue() . PHP_EOL; // 输出 15
echo $adder3->getValue() . PHP_EOL; // 输出 35

// 原始的 Adder 对象并没有被修改
echo $adder1->getValue() . PHP_EOL; // 输出 5
?>

在这个例子中，Adder类有一个readonly的$value属性。add方法返回一个新的Adder对象，而不是修改当前对象的状态。这保证了Adder对象的不可变性。

进一步抽象：函数式编程中的柯里化（Currying）

柯里化是一种将接受多个参数的函数转换为一系列接受单个参数的函数的技术。我们可以使用闭包来实现柯里化，并结合readonly属性来创建不可变的柯里化函数。

示例：使用Closure和Readonly属性实现不可变的柯里化加法函数

<?php

class CurriedAdder
{
    public readonly ?int $value;

    public function __construct(?int $value = null)
    {
        $this->value = $value;
    }

    public function add(int $number): CurriedAdder|int
    {
        if ($this->value === null) {
            return new CurriedAdder($number);
        } else {
            return $this->value + $number;
        }

    }
}

$add = new CurriedAdder();
$add5 = $add->add(5);
$add10 = $add5->add(10);

echo $add10 . PHP_EOL; // 输出 15

$add2 = new CurriedAdder(2);
echo $add2->add(3) . PHP_EOL; // 输出 5
?>

在这个例子中，CurriedAdder类使用readonly属性来存储中间状态。add方法根据当前状态返回一个新的CurriedAdder对象或最终的结果。这实现了不可变的柯里化加法函数。

使用场景与最佳实践

• 值对象： 值对象应该始终是不可变的，以确保其状态的完整性。
• 配置对象： 配置对象通常只需要在应用程序启动时初始化一次，因此可以将其声明为不可变的。
• 函数式编程： 在函数式编程中，不可变性是核心原则之一。
• 数据传输对象（DTO）： DTO通常用于在不同的层之间传递数据，因此可以将其声明为不可变的。

最佳实践

• 尽可能使用readonly属性来声明不可变属性。
• 避免在对象的方法中修改对象的状态。
• 使用构造函数来初始化对象的所有属性。
• 如果需要修改对象的状态，创建一个新的对象并返回。
• 考虑使用函数式编程技术，例如柯里化和组合，来编写更简洁、可维护的代码。

PHP中的不可变性工具对比

特性/工具	优点	缺点	适用场景
Closure	可以隐藏状态，创建轻量级的函数对象。	无法完全保证不可变性，内部状态仍然可以被修改。	需要隐藏状态，但不需要严格保证不可变性的场景。
Readonly属性	强制属性不可变，提供编译时检查。	只能在PHP 8.1及以上版本中使用。	需要严格保证属性不可变的场景，例如值对象、配置对象。
Immutable库	提供更高级的不可变数据结构，例如不可变数组、不可变集合。	引入额外的依赖，可能增加项目的复杂性。	需要使用不可变数据结构，并且对性能要求不高的场景。
手动实现不可变性	可以完全控制不可变性的实现方式。	需要编写大量的样板代码，容易出错。	需要自定义不可变性的实现方式，并且对性能要求极高的场景。

不可变性的权衡

虽然不可变性有很多优点，但它也带来了一些权衡。

• 性能： 创建新的对象可能比修改现有对象更消耗资源。
• 内存： 不可变对象可能会占用更多的内存，因为每次修改都需要创建一个新的对象。
• 代码复杂性： 在某些情况下，使用不可变对象可能会使代码更加复杂。

因此，在决定是否使用不可变性时，需要权衡其优点和缺点，并根据具体的应用场景做出选择。

总结

PHP中实现不可变性是一个逐步演进的过程，从最初的尝试使用Closure隐藏状态，到PHP 8.1引入readonly属性提供更强的保障，再到结合两者构建纯函数对象，我们不断探索更有效的方式来提高代码质量。readonly属性是实现不可变性的强大工具，但也要根据实际情况权衡其带来的性能和复杂性影响。