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使用PHP 8.2 Readonly Class构建不可变数据结构与缓存对象

PHP 8.2 Readonly Class：构建不可变数据结构与缓存对象

大家好！今天我们来深入探讨PHP 8.2引入的readonly class特性，以及如何利用它构建不可变的数据结构和高效的缓存对象。不可变性在现代软件开发中扮演着越来越重要的角色，它能提高代码的可靠性、可预测性和并发安全性。readonly class的出现，使得在PHP中实现不可变性变得更加简洁和高效。

什么是不可变性？

不可变性指的是一旦对象被创建，其内部状态就不能被修改。这意味着对象的所有属性值在对象生命周期内保持不变。 这与可变对象形成鲜明对比，可变对象的状态可以在创建后任意时刻被修改。

不可变性的优势：

  • 简化推理： 由于对象状态在创建后不再改变，更容易理解和预测代码的行为。
  • 提高并发安全性： 多个线程可以安全地访问同一个不可变对象，而无需担心数据竞争或同步问题。
  • 简化调试： 由于状态不可变，更容易追踪bug的来源，因为状态不会在程序的其他地方被意外修改。
  • 提高缓存效率： 不可变对象非常适合缓存，因为可以确保缓存的数据始终有效。
  • 更容易进行单元测试： 测试不可变对象变得更加简单，因为只需要验证对象创建后的状态即可。

PHP中的不可变性实现方式 (pre-PHP 8.2)

在PHP 8.2之前，实现不可变性通常需要以下方法：

  1. private 属性和 getter 方法: 将属性声明为 private，并只提供 getter 方法来访问属性值。 缺少 setter 方法可以阻止外部代码修改属性。
  2. 使用 final 类: 阻止类被继承，从而防止子类添加可修改属性或重写方法。
  3. 使用 __set() 和 __unset() 魔术方法: 抛出异常来阻止动态设置或取消设置属性。

示例 (pre-PHP 8.2):

<?php

final class ImmutablePoint
{
    private float $x;
    private float $y;

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

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

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

    public function __set(string $name, $value): void
    {
        throw new Exception("Cannot set property '$name' on immutable object.");
    }

    public function __unset(string $name): void
    {
        throw new Exception("Cannot unset property '$name' on immutable object.");
    }
}

$point = new ImmutablePoint(1.0, 2.0);
echo $point->getX(); // 输出 1.0

try {
    $point->x = 3.0; // 抛出异常
} catch (Exception $e) {
    echo $e->getMessage(); // 输出 Cannot set property 'x' on immutable object.
}

?>

虽然以上方法可以实现不可变性，但它们通常比较繁琐，需要编写大量的样板代码。 readonly class的出现，极大地简化了这一过程。

PHP 8.2 readonly Class

PHP 8.2 引入了 readonly class 的概念，允许将整个类标记为只读。 这意味着类的所有属性都隐式地变为 readonly，并且只能在构造函数中初始化一次。

语法：

<?php

readonly class MyReadonlyClass
{
    public int $id;
    public string $name;

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

?>

关键点：

  • readonly 关键字声明整个类为只读。
  • 所有属性都隐式地成为 readonly 属性。
  • 属性只能在构造函数中初始化或使用默认值初始化。
  • 一旦初始化后，属性的值不能再被修改。
  • 不能在 readonly 类中声明 static 属性。
  • readonly 类不能被克隆。

示例：

<?php

readonly class Product
{
    public int $id;
    public string $name;
    public float $price;

    public function __construct(int $id, string $name, float $price)
    {
        $this->id = $id;
        $this->name = $name;
        $this->price = $price;
    }

    public function getFormattedPrice(): string
    {
        return '$' . number_format($this->price, 2);
    }
}

$product = new Product(123, 'Awesome T-Shirt', 19.99);
echo $product->name; // 输出 Awesome T-Shirt
echo $product->getFormattedPrice(); // 输出 $19.99

// 尝试修改属性会抛出错误
try {
    $product->price = 24.99; // 抛出 Error
} catch (Error $e) {
    echo $e->getMessage(); // 输出 Cannot modify readonly property Product::$price
}

?>

readonly 属性的初始化：

readonly 属性只能在以下位置初始化：

  1. 声明时使用默认值：

    <?php
readonly class User {
    public string $status = 'active'; // 使用默认值初始化
}
?>

  2. 构造函数中：

    <?php
readonly class User {
    public string $name;

    public function __construct(string $name) {
        $this->name = $name; // 在构造函数中初始化
    }
}
?>

  3. 在构造函数的属性提升中 (Constructor Property Promotion):

    <?php
readonly class User {
    public function __construct(public string $name) {} // 构造函数属性提升
}
?>

构造函数属性提升与 readonly 类：

构造函数属性提升与 readonly class 结合使用，可以进一步简化代码：

<?php

readonly class Point
{
    public function __construct(
        public float $x,
        public float $y
    ) {}

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

$point1 = new Point(1.0, 2.0);
$point2 = new Point(4.0, 6.0);
echo $point1->distanceTo($point2); // 输出 5
?>

在这个例子中，x 和 y 属性通过构造函数属性提升声明，并隐式地成为 readonly 属性，无需显式声明。

使用 readonly Class 构建不可变数据结构

readonly class 非常适合构建各种不可变的数据结构，例如：

  • 值对象 (Value Objects): 表示领域模型中的概念，例如货币、日期、地址等。值对象应该总是不可变的，以确保其一致性和可靠性。
  • 数据传输对象 (Data Transfer Objects, DTOs): 用于在不同层之间传递数据。 使用不可变的 DTOs 可以防止数据在传递过程中被意外修改。
  • 配置对象: 表示应用程序的配置信息。 配置对象通常在应用程序启动时加载，并且不应该在运行时被修改。

示例：不可变的 Money 值对象

<?php

readonly class Money
{
    public string $currency;
    public int $amount; // 金额，以最小单位表示 (例如，美分的数量)

    public function __construct(string $currency, int $amount)
    {
        $this->currency = $currency;
        $this->amount = $amount;
    }

    public function getAmountInDollars(): float
    {
        return $this->amount / 100;
    }

    public function add(Money $other): Money
    {
        if ($this->currency !== $other->currency) {
            throw new InvalidArgumentException('Currencies must match for addition.');
        }

        return new Money($this->currency, $this->amount + $other->amount);
    }
}

$price = new Money('USD', 1999); // $19.99
$tax = new Money('USD', 200);   // $2.00

$total = $price->add($tax); // 创建一个新的 Money 对象，表示总金额

echo $total->getAmountInDollars(); // 输出 21.99

// 原始的 $price 和 $tax 对象保持不变
echo $price->getAmountInDollars(); // 输出 19.99
echo $tax->getAmountInDollars(); // 输出 2.00
?>

在这个例子中，Money 类使用 readonly 关键字声明，确保其 currency 和 amount 属性在创建后不能被修改。 add() 方法返回一个新的 Money 对象，而不是修改现有对象，从而保持了不可变性。

使用 readonly Class 构建缓存对象

不可变对象非常适合缓存，因为可以确保缓存的数据始终有效。 readonly class 可以方便地创建不可变的缓存对象，提高应用程序的性能。

示例：缓存用户数据

<?php

use PsrCacheCacheItemPoolInterface;

readonly class User
{
    public int $id;
    public string $name;
    public string $email;

    public function __construct(int $id, string $name, string $email)
    {
        $this->id = $id;
        $this->name = $name;
        $this->email = $email;
    }
}

class UserRepository
{
    private CacheItemPoolInterface $cache;

    public function __construct(CacheItemPoolInterface $cache)
    {
        $this->cache = $cache;
    }

    public function getUserById(int $id): ?User
    {
        $cacheKey = 'user_' . $id;
        $cacheItem = $this->cache->getItem($cacheKey);

        if ($cacheItem->isHit()) {
            return $cacheItem->get(); // 从缓存中获取用户对象
        }

        // 从数据库或其他数据源获取用户数据
        $userData = $this->fetchUserDataFromDatabase($id);

        if ($userData === null) {
            return null;
        }

        $user = new User($userData['id'], $userData['name'], $userData['email']);

        $cacheItem->set($user);
        $cacheItem->expiresAfter(3600); // 缓存 1 小时
        $this->cache->save($cacheItem);

        return $user;
    }

    private function fetchUserDataFromDatabase(int $id): ?array
    {
        // 模拟从数据库获取用户数据
        $users = [
            1 => ['id' => 1, 'name' => 'John Doe', 'email' => '[email protected]'],
            2 => ['id' => 2, 'name' => 'Jane Smith', 'email' => '[email protected]'],
        ];

        return $users[$id] ?? null;
    }
}

// 使用示例 (需要安装 PSR-6 兼容的缓存库，例如 Symfony Cache)
use SymfonyComponentCacheAdapterFilesystemAdapter;

$cache = new FilesystemAdapter();
$userRepository = new UserRepository($cache);

$user1 = $userRepository->getUserById(1);
if ($user1 !== null) {
    echo "User ID: " . $user1->id . ", Name: " . $user1->name . ", Email: " . $user1->email . "n";
}

$user2 = $userRepository->getUserById(2);
if ($user2 !== null) {
    echo "User ID: " . $user2->id . ", Name: " . $user2->name . ", Email: " . $user2->email . "n";
}

// 第二次获取用户数据，将从缓存中获取
$user1Again = $userRepository->getUserById(1);
if ($user1Again !== null) {
    echo "User ID: " . $user1Again->id . ", Name: " . $user1Again->name . ", Email: " . $user1Again->email . "n";
}

?>

在这个例子中，User 类被声明为 readonly，确保缓存的用户数据不会被修改。 UserRepository 使用 PSR-6 缓存接口来缓存 User 对象。 第一次获取用户数据时，从数据库中获取并缓存。 后续获取相同用户数据时，直接从缓存中获取，提高性能。

缓存策略：

选择合适的缓存策略对于缓存的效率至关重要。 常见的缓存策略包括：

  • 过期时间 (Time-To-Live, TTL): 缓存项在一定时间后自动过期。
  • 基于事件的失效 (Event-Based Invalidation): 当底层数据发生变化时，缓存项失效。
  • 基于标签的失效 (Tag-Based Invalidation): 将缓存项与标签关联，当标签失效时，所有关联的缓存项失效。

表格：readonly Class vs. 常规 Class

特性 readonly Class 常规 Class
可变性 不可变 可变
属性修改 禁止 允许
属性初始化 构造函数/默认值 任意时刻
static 属性 禁止 允许
克隆 禁止 允许
性能 通常更好 取决于实现
适用场景 值对象、DTO、配置 各种场景

表格：何时使用 readonly Class

场景 理由
需要不可变数据结构时 确保数据一致性，简化推理，提高并发安全性。
构建值对象时 值对象应该总是不可变的，以确保其表示的概念的完整性。
构建数据传输对象 (DTO) 时 防止数据在传递过程中被意外修改。
构建配置对象时 配置对象通常在应用程序启动时加载，并且不应该在运行时被修改。
需要缓存对象时 不可变对象非常适合缓存，因为可以确保缓存的数据始终有效。
希望减少样板代码并提高代码可读性时 readonly class 可以简化不可变对象的创建，无需编写大量的 private 属性和 getter 方法。
需要更高的性能时 由于不可变性，编译器可以进行更多的优化，从而提高性能。

readonly 类的局限性

尽管 readonly 类带来了很多好处，但也存在一些局限性：

  • 不能修改属性： 这是 readonly 类的核心限制，在某些场景下可能不适用。
  • 不能有 static 属性： static 属性通常用于存储类级别的状态，与 readonly 类的不可变性冲突。
  • 不能被克隆： 克隆会创建对象的副本，允许修改副本的状态，这与 readonly 类的不可变性冲突。

结论：利用Readonly类构建健壮应用

PHP 8.2 的 readonly class 是一个强大的特性，可以简化不可变数据结构的创建，并提高代码的可靠性、可预测性和性能。 通过合理地使用 readonly class，可以构建更健壮、更易于维护的PHP应用程序。合理使用 readonly class，能让代码更健壮。理解局限性，选择最适合的方案。

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