JS 不可变数据踩坑，immer 不是最终出路，高性能场景还需自己实现

不可变数据作为函数式编程的重要组成部分，在很多熟知的模块中都广泛运用，比如 React、Redux。因此也出现了许多操作不可变数据的库，如 immutable.js、immer、immutability-helper 等

什么是不可变数据

不可变数据 就是一旦创建，就不能再被更改的数据。对该对象的任何修改或添加删除操作都会返回一个新的对象。要避免深拷贝把所有数据都复制一遍带来的性能损耗，使用 Structural Sharing（结构共享），即如果对象树中一个节点发生变化，只修改这个节点和受它影响的父节点，其它节点则进行共享。

不可变数据有哪些好处

1、降低了 Mutable 带来的复杂度

function demo() {
  const data = { foo: 'bar' };
  console.log(data);
  data.foo = 'tom';
}

demo();

打印 {foo: 'bar'} ，但在控制台展开后变成了 { foo: 'tom' } 会带来额外的困扰。

2、撤销/重做/时间旅行功能实现起来很轻松

不可变数据每次返回的数据都是不同的，每次修改后将这些数据记录在队列中，修改指针指向就能轻松实现时间旅行。

在 React 中使用不可变数据

React 的 state 是不可变的，意味着你不能直接修改，只能通过 setState 来返回一个新的 state。

在 React 中，你不能这样做：

state.a.b.c = 1;
// or...
state.c.d.f.push(2);

这是 React 新手常犯的错误。熟悉 React 数据模型后通常你会这样做：

const nextState = {
  ...state,
  a: {
    ...state.a,
    b: {
      ...state.a.b,
      c: 1,
    },
  },
};

但你可能会抱怨为什么会这么繁琐，有什么方式能简化它们吗？记得我当时刚接触 React 的时候，从一个脚手架起步。脚手架中包含了很多常用的库，其中就有 immutable.js。

什么是 immutable.js

immutable.js 是 Facebook 工程师 Lee Byron 花费 3 年时间打造，与 React 同期出现。immutable.js 提供了很多持久化不可变数据结构，包括：List, Stack, Map, OrderedMap, Set, OrderedSet 以及 Record 等

其中常用的数据结构：

• Map 键值对集合，对应于 Object
• List 有序可重复的列表，对应于 Array
• Set 无序且不可重复的列表，对应于 Set
• OrderedMap 有序的键值对集合，对应于原生 Map

一个常见的 immutable.js 在 redux 中应用：

// 初始化状态
const initialStore = fromJS({
  todoList: [
    {
      title: '任务一',
      complete: false,
    },
    {
      title: '任务二',
      complete: false,
    },
  ],
});

// reducers
function todoListReducer(state, action) {
  switch (action.type) {
    case 'todos/ADD_TODO':
      return Immutable.update(state, 'todoList', (todoList) =>
        todoList.push(
          Immutable.Map({
            title: '',
            complete: false,
          }),
        ),
      );
    case 'todos/TOGGLE_TODO':
      return Immutable.updateIn(
        state,
        ['todoList', action.index, 'complete'],
        (complete) => !complete,
      );
    default:
      return state;
  }
}

// 创建 store
const store = createStore(todoListReducer, initialStore);

// dispatch action
store.dispatch({ type: 'todos/TOGGLE_TODO', index: 1 });

在 Immutable.js 中我们使用 fromJS 将原生对象转换为 Immutable.js 对象，转换之后的对象，直接修改是不不会起任何作用的。必须通过提供的 API 来修改数据，并返回新对象。

这种模式很好地配合 React.PureComponent 做浅比较提升应用的性能。

常见的 API 有：

操作 List

• set()
• delete()
• insert()
• clear()
• push()
• pop()
• unshift()
• shift()
• update()

操作 Map

• set()
• delete()
• clear()
• update()
• merge()
• mergeWith()
• mergeDeep()
• mergeDeepWith()

深层级操作

• setIn()
• deleteIn()
• updateIn()
• mergeIn()

那 immutable.js 如何获取数据呢，一般场景来说使用 get 或 getIn 方法返回具体类型的值。很多情况都会与原生 JS 打交道，所以避免不了 toJS() 方法来转换成一个原生对象。

immutable.js 对象也提供了像原生对象一样的方法来查询/转换数据，很多功能类似于 lodash

比如：

• map()
• mapKeys()
• mapEntries()
• flatMap()
• filter()
• filterNot()
• reverse()
• sort()
• sortBy()
• groupBy()

immutable.js 提供了大而全的方法来操作其内部对象。

它的优点非常多，那它的缺点也很明显：

• 是它不能很好和第三方库配合，数据类型是割裂的状态。
• 导致很多功能都必须使用原生对象，造成编码风格不统一，增加所在项目的混乱程度。
• 而经常 toJS() 也成为了其性能衰减严重。
• 60KB+ 的尺寸会让很多人望而却步
• 上手成本高，需要大量学习其内部 API

自从第一个项目用了 immutable.js 后，我们后面的项目也只是偶尔会用一下，解决复杂场景的数据操作。自从 typescript 火起来后，它便逐渐淡出我的视野，因为它对 ts 类型支持得非常糟糕，一个普通数据操作之后变成了 any，这在大型应用中简直是噩梦。

2019 年，紧接着 immer 火了，作为 mobx 的基础操作库，新颖使用及实现方式获得一大批人的芳心。

什么是 immer

Immer 简化了对不可变数据结构的处理。使用 Immer，将所有更改应用于临时草稿，它是 currentState 的代理。一旦完成了所有的变更，Immer 将根据对草稿状态的变更生成 nextState。这意味着可以通过简单地修改数据来与数据交互，同时保留不可变数据的所有好处。

在 Immer 中，基本上可以只用一个 API，那就是 produce。简单的例子：

const demo = {
  info: {
    user: {
      tom: 'good',
    },
  },
};

const result = produce(demo, (draft) => {
  draft.info.user.tom = 'ok';
});

通过 draft（草稿）将当前 scope 中修改的东西最终返回生成新的对象。这种方式既享受了 immutable 的特性，又让开发者有 mutable 修改数据的爽快。

Immer 巧妙通过 Proxy.revocable 正向代理的方式实现核心逻辑，配合 Object.freeze 将修改后的数据冻结，避免再次修改。Immer 后来一度成为了开发首选项目，直到在一个复杂的项目开始。

Immer 在极限情况下的性能问题

Immer 官方说会比普通的 reducer 慢几倍，但极限情况就除外了。举个例子：

const demo = {
  info: Array.from(Array(10000).keys()),
};

produce(data3, (draft) => {
  draft.info[2000] = 0;
});

在一万条平行结构的数据修改时。普通的浅拷贝只需要 0.0061 毫秒，而 immer 上升到了 24 毫秒。如果这个修改频繁触发，就会出现掉帧的情况。

后面我向 Immer 提了一个 Issue https://github.com/immerjs/immer/issues/867 。发现 Object.freeze 非常耗时，通过 API setAutoFreeze(false); 关闭 freeze 后，时间降到了 10 毫秒。但对比普通的浅拷贝依然是被降维打击。

接着去除了 Immer 在 getter/setter/class 场景下的实现，再经过一些列的优化，比如 shallowCopy 的实现。速度降到了 4 毫秒，对比之前还是有很大的提升，至少不掉帧了。

我们实现了一份公司自己的 immer 拷贝。我想它还有很大的性能提升空间，那就要看 immer 的作者愿不愿意实现了。

自己实现

那普通的浅拷贝那么快，我为什么不用普通的对象实现这样的功能呢？说做就做！

整个元旦我都在快乐的编码实现中。其实 js 实现很简单，难就难在 typescript 类型安全上。如果做出来还像 immutable.js 那样类型不友好的话，那其实做不做意义也不大。快乐的编码 ts 类型优先。

战斗了好几天，终于出了成果：

github: [1]

为什么取名叫 immot？因为 immer 名字很好听，看 npmjs 上 immet 没被注册，结果不能 publish 说跟 immer 名字太像了，索性将 e 改成了 o。immotile 单词的部分（意思：不动的），就这样吧。

immot 的 API 灵感来自于 immutable-js，但 immutable-js 有独立的结构模型，复杂度高。immot 的设计理念是要求简单、易用，不需要过多的心智负担。因此在设计之初就亲和原生的 JSON 结构，只提供辅助函数，大小 < 1KB，就做到像 immutable-js 一样的效果。

immot 做到了 typescript 类型安全。$updateIn、$setIn、$mergeIn 中的 keyPath 路径支持类型自动提示（目前只支持小于 7 层结构）。

使用

import * as immot from 'immot';

// 或者只导入其中某个函数
import { $updateIn } from 'immot';

immot 所有函数操作都会返回一个新的对象。

$set

用于设置 对象/数组/Map 中的属性值。keyPath 为字符串。

const result = immot.$set(demo, 'a', 1);

$setIn

用于设置 对象/数组/Map 中的属性值。它可以为深层对象做操作，keyPath 为路径数组

const result = immot.$setIn(demo, ['a', 'b', 1, 'c'], 'good');

$merge

用于合并 对象/数组 中的属性列表。

const result = immot.$merge(demo, { tom: 1, jack: 2 });

const result1 = immot.$merge(demo1, [5, 6]);

$mergeIn

用于合并 对象/数组 中的属性列表。它可以为深层对象做操作，keyPath 为路径数组

const result = immot.$mergeIn(demo, ['a', 1, 'b'], { tom: 1, jack: 2 });

$update

通过回调函数设置 对象/数组/Map 中的属性值。keyPath 为字符串。

const result = immot.$update(demo, 'money', (prev) => prev + 1);

$updateIn

通过回调函数设置 对象/数组/Map 中的属性值。它可以为深层对象做操作，keyPath 为路径数组

const result = immot.$updateIn(
  demo,
  ['todoList', 0, 'complete'],
  (complete) => !complete,
);

$delete

用于删除 对象/数组/Map 中的可选属性值，keyPath 为字符串或者数组

const result = immot.$delete(demo, 'a1');
const result1 = immot.$delete(demo, ['a1', 'a2']);

$push

类似 Array.prototype.push，但返回新数组

const result = immot.$push(demo, 4);

$pop

类似 Array.prototype.pop，但返回新数组

const result = immot.$pop(demo);

$shift

类似 Array.prototype.shift，但返回新数组

const result = immot.$shift(demo);

$unshift

类似 Array.prototype.unshift，但返回新数组

const result = immot.$unshift(demo, 4);

$splice

类似 Array.prototype.splice，但返回新数组

const result = immot.$splice(demo, 1, 0, 'test');

性能测试

在 /bench 目录中有性能测试对比的样例，可以 clone 本项目测试

cd bench
pnpm i
node index.mjs

注意：

1. 数值为每秒操作数量，越高越好
2. 样例中 immer 关闭了自动冻结对象的特性，否则结果会更差。
3. 数组性能测试图中隐藏了 immutableJS 数据，用空间换取时间的方式导致数值太高，影响对比。

在 Node v14.17.0 的测试结果：

常规数据和深层数据

50000 长度的数组

immot 简单、体积小， gzip 后不足 700 个字节，对体积要求高的项目可以重点关注，最主要是对 typescript 类型友好。用它来写 reducer 太适合了。至于为什么没有提供像 immutable.js 那样的 getIn 的方法。因为原生 JS 支持了 可选链(?.) 语法，已经不需要这样的 API。

结语

整个元旦过得还算充实，主要上午要溜娃，太阳挺晒在身上挺暖和的。下午才会有零零碎碎的时间来写这个模块。整个 immot 写了 快 500 多行测试用例，代码覆盖率做到了 100%，要实现的细节真的很多。

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