C++11 中不可变的“函数式”数据结构

Question

我试图为我对多线程/并发场景感兴趣的几个数据结构编写一些实现。

很多函数式语言，几乎我所知道的所有，都以不可变的方式设计自己的数据结构，所以这意味着如果你要将value添加到实例t1 T，你真的得到了一个新的 T 实例，它包含 t1 + value。

 container t;
 container s = t; //t and s refer to the same container.
 t.add(value); //this makes a copy of t, and t is the copy

我在 C++11 中找不到合适的关键字来执行此操作；标准库中的关键字、语义和函数显然是面向函数式方法的，特别是我发现：

• mutable 它不是用于运行时，它更有可能是对编译器的提示，但是这个关键字并不能真正帮助您设计新的数据结构或以 不可变 方式使用数据结构
• swap 不适用于临时工，这对我来说是一个很大的缺点

我也不知道其他关键字/函数对这样的设计有多大帮助，swap 是其中一个非常接近好的东西，所以我至少可以开始写一些东西，但显然它仅限于lvalues .

所以我要问：是否可以在 C++11 中使用函数式方法设计 不可变 数据结构？

Answer 1

您只需声明一个带有私有成员变量的类，并且不提供任何方法来更改这些私有成员的值。就是这样。您仅从类的构造函数初始化成员。没有人能够以这种方式更改类的数据。 C++ 创建不可变对象的工具是成员的私有可见性。

mutable：这是 C++ 中最大的 hack 之一。在我的一生中，我最多见过 2 个地方使用它是合理的，而且这个关键字与您正在搜索的内容几乎相反。如果您要在 C++ 中搜索可帮助您在编译时标记数据成员的关键字，那么您正在搜索 const 关键字。如果将类成员标记为 const，则只能从构造函数的 INITIALIZER LIST 对其进行初始化，并且在实例的整个生命周期内都不能再修改它们。这不是 C++11，它是纯 C++。没有神奇的语言特性可以提供不变性，你只能通过巧妙地编程来做到这一点。

Answer 2

在 c++ 中，“不变性”由 const 关键字授予。当然 - 您仍然可以更改 const 变量，但您必须故意这样做（例如 here）。在正常情况下，编译器不会让你这样做。由于您最关心的似乎是以 功能 样式进行操作，并且您想要一个 结构，因此您可以自己定义它：

class Immutable{
   Immutable& operator=(const Immutable& b){} // This is private, so it can't be called from outside
   const int myHiddenValue;
public:
   operator const int(){return myHiddenValue;}
   Immutable(int valueGivenUponCreation): myHiddenValue(valueGivenUponCreation){}
};

如果你定义一个这样的类，即使你尝试将myHiddenValue 更改为const_cast，它实际上也不会做任何事情，因为在调用operator const int 期间会复制该值。

注意：没有真正的理由这样做，但是嘿 - 这是你的愿望。

另请注意：由于 C++ 中存在 指针，您仍然可以使用某种指针魔术来更改值（获取对象的地址、计算偏移量等），但您可以t 真的有帮助。即使使用函数式语言，如果它有指针，你也无法防止这种情况发生。

另外，您为什么要强迫自己以函数式方式使用 C++？我可以理解它对您来说更简单，并且您已经习惯了它，但是由于它的缺点，函数式编程并不经常使用。请注意，无论何时创建新对象，都必须分配空间。对于最终用户而言，它速度较慢。

Answer 3

Bartoz Milewski has implemented Okasaki's functional data structures in C++。他对why functional data structures are important for concurrency 进行了非常详尽的论述。在那篇论文中，他解释了并发构造对象然后使其不可变的必要性：

下面是需要发生的事情：一个线程必须以某种方式构造 它注定是不可变的数据。根据结构 这些数据，这可能是一个非常简单或非常复杂的过程。然后 该数据的状态必须被冻结——不再有任何变化 允许。

正如其他人所说，当您想在 C++ 中公开数据并且无法对其进行更改时，您可以使您的函数签名如下所示：

class MutableButExposesImmutably
{
    private:
        std::string member;
    public:
        void complicatedProcess() { member = "something else"; } // mutates
        const std::string & immutableAccessToMember() const {
            return member;
        }
};

这是一个可变数据结构的例子，但你不能直接改变它。

我认为您正在寻找类似于 java 的 final 关键字：此关键字允许您构造一个对象，但此后该对象保持不可变。

您可以在 C++ 中执行此操作。以下代码示例编译。请注意，在 Immutable 类中，对象 member 是字面上不可变的（与前面的示例不同）：您可以构造它，但一旦构造，它就是不可变的。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Immutable
{
    private:
        const std::string member;
    public:
        Immutable(std::string a) : member(a) {}
        const std::string & immutable_member_view() const { return member; }
};


int main() {
    Immutable foo("bar");
    // your code goes here
    return 0;
}

Answer 4

回复。 s 和 t 的代码示例。您可以在 C++ 中执行此操作，但如果我正确理解您的要求，“不变性”与该问题无关！

我在供应商库中使用了容器，它们确实按照您描述的方式运行；即，当它们被复制时，它们会共享其内部数据，并且在需要更改其中一个之前，它们不会复制内部数据。

请注意，在您的代码示例中，如果s 发生更改，则t 不得更改。所以s 必须包含某种标志或引用计数，以表明t 当前正在共享其数据，因此当s 的数据发生更改时，它需要拆分副本而不是仅更新其数据。

因此，作为容器外观的一个非常宽泛的轮廓：它将由一个指向某些数据的句柄（例如一个指针）以及一个引用计数组成；并且您更新数据的函数都需要检查 refcount 以决定是否重新分配数据；并且您的复制构造函数和复制分配运算符需要增加引用计数。