在C＃中設計不變的對象和數據結構

在C#中設計不可變對象和數據結構的核心是確保對象創建後狀態不可修改，從而提升線程安全性和減少狀態變化導致的bug。 1. 使用readonly字段並配合構造函數初始化，確保字段僅在構造時賦值，如Person類所示；2. 對集合類型進行封裝，使用ReadOnlyCollection或ImmutableList等不可變集合接口，防止外部修改內部集合；3. 使用record簡化不可變模型定義，默認生成只讀屬性和構造函數，適合數據建模；4. 創建不可變集合操作時推薦使用System.Collections.Immutable中的類型，如ImmutableList，每次修改返回新實例，保證原數據不變，並優化內存復用。以上方法共同保障了對像在整個生命週期中的不可變性。

在C# 中設計不可變對象和數據結構，核心在於確保對像一旦創建，其狀態就不能被修改。這不僅有助於編寫線程安全的代碼，還能減少因狀態變化帶來的潛在bug。實現的關鍵在於使用只讀字段、構造函數初始化以及避免暴露可變狀態。

1. 使用readonly字段和構造函數初始化

C# 中最基礎的不可變對像是通過readonly字段配合構造函數完成初始化來實現的。 readonly確保字段只能在構造函數中賦值一次，之後不能更改。

 public class Person
{
    public string FirstName { get; }
    public string LastName { get; }

    public Person(string firstName, string lastName)
    {
        FirstName = firstName;
        LastName = lastName;
    }
}

• 這種方式適合小對像或值對象（如DTO）。
• 所有屬性都為只讀，外部無法修改。
• 構造函數負責所有初始化，清晰明確。

這種方式簡單有效，但當對象結構複雜時，可能會遇到一些限制，比如嵌套對像是否也保持不可變。

2. 對集合類型進行封裝以保持不可變性

如果你的對象包含集合類成員，直接返回List<T>或Dictionary<TKey, TValue>可能會破壞不可變性，因為調用者可以修改集合內容。

正確的做法是使用ReadOnlyCollection<T>或ImmutableList<T> ：

 public class Order
{
    private readonly List<string> _items;

    public IReadOnlyCollection<string> Items => _items.AsReadOnly();

    public Order(IEnumerable<string> items)
    {
        _items = new List<string>(items);
    }
}

或者使用System.Collections.Immutable提供的類型：

 using System.Collections.Immutable;

public class Order
{
    public IImmutableList<string> Items { get; }

    public Order(IImmutableList<string> items)
    {
        Items = items ?? ImmutableList<string>.Empty;
    }
}

• 推薦使用IImmutableList<T>等接口來傳遞不變集合。
• 避免將內部集合直接暴露給外部修改。
• 初始化時深拷貝原始數據，防止外部引用後續變更影響內部狀態。

3. 使用記錄（record）簡化不可變模型

從C# 9 開始， record是定義不可變類型的理想選擇。它默認生成只讀屬性，並自動實現相等邏輯和不可變語義。

 public record Person(string FirstName, string LastName);

• 編譯器自動生成構造函數、只讀屬性和With表達式。
• 支持模式匹配和值語義，非常適合用於數據建模。
• 如果需要擴展方法或額外邏輯，可以在record 中添加。

需要注意的是，雖然record 的實例默認是不可變的，但如果字段本身是可變對象（如普通類），那整個結構可能還是“淺不可變”。因此要確保嵌套對像也是不可變的。

4. 創建不可變集合的操作建議

當你需要頻繁操作集合（如添加、刪除元素），又想保持不可變性時，推薦使用System.Collections.Immutable提供的類型，例如：

 using System.Collections.Immutable;

var list = ImmutableList<int>.Empty;
list = list.Add(1).Add(2); // 返回新實例

• 每次操作都會返回新的不可變實例，而不是修改原對象。
• 內部優化了內存復用，性能優於每次都新建列表。
• 常見類型包括ImmutableList<t></t> 、 ImmutableDictionary<tkey tvalue></tkey>和ImmutableHashSet<t></t> 。

使用這些類型時要注意：

• 不要混用可變集合與不可變集合，容易導致誤操作。
• 在API 接口中盡量使用IImmutableList<t></t>而不是具體實現類，便於替換和測試。
• 初始化時可以通過.ToImmutableList()快速轉換已有集合。

基本上就這些。不可變對象的設計重點在於控制狀態變更點，合理使用語言特性與庫支持。雖然寫起來比普通類稍微多點步驟，但在並發和數據一致性方面帶來的好處非常值得。

以上是在C＃中設計不變的對象和數據結構的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！