模式罗汉拳: Immutable模式与string类的实现
透明
梗概
禁止改变对象的状态，从而增加共享对象的坚固性、减少对象访问的错误，同时还避免了在多线程共享时进行同步的需要。
实现方法：在对象构造完成以后就完全禁止改变任何状态信息。如果需要改变状态，则生成一个状态与原对象不同的新对象。
场景
假设你正在为一家游戏公司开发一个和外太空、宇宙飞船有关的游戏，当然你有必要用某种方式来表示一艘宇宙飞船（不管它是属于地球人的还是属于外星人的）所处的位置。很自然的，你决定编写一个Position类。从一个Position对象应该可以查询到当前位置的x坐标和y坐标（我们的游戏比较简单，二维地图，呵呵），还应该可以根据输入的偏移量得到新的位置。很正确的设计，不是吗？（见例1）
例1：Position的设计
class Position{
private:
int x, y; //简单点，用整型数来表示坐标
public:
Position(int x, int y){ //ctor需要两个参数。
this->x = x;
this->y = y;
}
int getX( ){ return x; }
int getY( ){ return y; }
void Offset(int offX, int offY){ //根据偏移量得到新的位置
x+=offX;
y+=offY;
}
}
但是，如果我们的Position需要在多线程环境下使用，它能保证线程安全吗？答案是很明显的No！如果两条线程同时调用同一个Position对象的Offset函数，你就无法保证得到的结果是什么了。所以，为了保证线程安全，也许你还会想给Offset函数加上同步机制——麻烦了！
换个角度想想怎么样？假如我们根本不让Offset函数修改Position的内容？假如我们让Offset函数生成一个新的Position对象？如果是这样，Position对象就已经是线程安全的了——它没有任何“写”操作，而没有写操作的类是不需要同步的。于是我们这样做了，并且很轻松的得到了一个线程安全的Position类。（见例2）
例2：线程安全的Position类（这里只展示Offset函数）
Position Position::Offset(int offX, int offY){ //根据偏移量得到新的位置
return Position(x+offX, y+offY);
}
约束
- 你有一个天性被动的类。这个类的实例不需要改变自己的状态。同时这个类的实例还被其他多个对象共享。
- 正确协调被共享的对象的状态改变非常困难。当一个对象的状态发生改变时，所有使用它的对象都应该得到通知。这造成了对象之间的紧耦合。
- 在多线程共享时，还需要使用同步机制来保证线程安全性。
解决方案
为了避免状态改变带来的诸多麻烦，不允许对实例的状态做任何修改。具体的做法就是：不在类的公开接口中出现任何可以修改对象状态的方法，只出现状态读取方法。如果client需要不同的状态，就生成一个新的对象。（见图1）
图1 Immutable模式的类图
效果
- 不再需要协调状态修改的代码，也不再需要协调任何同步代码。
- 生成了更多的对象。增加了对象生成和销毁的开销。
实现
Immutable模式的实现主要有以下两个要点：
1．除了构造函数之外，不应该有其它任何函数（至少是任何public函数）修改任何成员变量。
2．任何使成员变量获得新值的函数都应该将新的值保存在新的对象中，而保持原来的对象不被修改。
在“效果”中我已经讲到：Immutable模式会大大提高对象生成和销毁的频率。因此，在C++中实现Immutable模式时，还必须特别注意对象的生存周期。你可以尝试用智能指针[Meyers96, Item28]来帮助你处理对象的销毁问题，但是无论如何你都必须仔细检查以确保没有内存泄漏——如果每艘飞船的每次移动都会造成内存泄漏，你的游戏该是多么糟糕！
此外，Immutable模式还有一种变体：Read Only Object模式。它的做法是：当一个类的对象对于某些client可写、某些client不可写时，让这个类实现一个ReadOnly接口。然后让可写的client直接访问对象，而让不可写的client通过ReadOnly接口访问该对象，从而实现了不同的读写权限控制。（如图2所示）
图2 Read Only Object模式
Immutable模式与string类的实现策略
如果你也读过[Meyers96]，我想你一定对那个应用在String类上的COW（Copy-On-Write）策略[Meyers96, Item29]印象深刻。COW策略是“lazy evaluation”的发展形式。如果对String类的写操作数量很少，那么COW策略将大大提高整个String类的效率，并大大降低空间开销。
可是你知道吗？在STL中的string类并没有采用COW策略，从例3就可以看出这一点。为什么？为什么这么好的策略没有得到采用？相信你从[Meyers96]中便可发现：实际在String类上实现COW策略是如此复杂。更何况我们还必须考虑线程安全的问题。我完全有理由认为：正是因为考虑到这些复杂的情况，STL的实现者们才最终决定用一个比较低效但是安全的实现方案。
例3：STL中的string::operator=和string::operator[]
//下面代码出自SGI STL 2000年6月8日版本
//为了帮助读者理解，我做了些微改动，并在关键位置加上注释
//如果使用COW策略，operator=应该不做内容复制，而是进行引用计数
string& string::operator=(const string& s) {
if (&s != this)
assign(s.begin(),s.end()); // 这里的operator=只是简单的内容复制而已
return *this;
}
//如果使用COW策略，const的operator[]和非const的operator[]应该不同
//但是这里两个operator[]完全相同
const char & string::operator[](int n) const
{ return *(_M_start + n); } //_M_start是字符数组的起始位置
char & string::operator[](int n)
{ return *(_M_start + n); }
看到这些，我不能不开始猜想：为什么STL的设计者们一定要保留这些给他们造成麻烦的“修改函数”（即可以修改string内容的函数）？我想，这是因为他们希望让string的行为方式尽量接近于C语言的char *型字符串。不然，我真的想不出其他任何保留operator[]的理由。
那么，如果不必非要让string类的行为方式接近char *型字符串，如果string类的读操作应用频率远远大于写操作（在实际应用中这是很常见的），你会考虑如何实现一个string类？啊，也许你已经想到了：Immutable模式。你可以很舒服的使用[Meyers96]教你的引用计数方法来节约存储空间，你不必再担心写操作的同步问题或别的什么，因为已经没有写操作。任何改变字符串内容的操作都将得到一个新的string对象。而对象生存期管理和存储空间管理这两个大问题也因为Immutable模式的引入而大大简化，你完全可以参照[Meyers96]第183页到第189页的内容自己来解决它们。
代码示例
我用了一天的时间，做了一个简单的ImmutableString实现。其中实现细节用了Proxy类[Meyers96]，并参考了COM的引用计数规则[Pan99]。在这个例子中，读者可以感觉到：Immutable模式大大简化了共享空间的字符串类型的实现，并为其中的一些方法（比如subString）的实现提供了非常大的便利。本来我想把代码放在文章里面，但是时间和空间受限，最后决定放弃。
在该代码中，我做了一个简单的效率测试：反复进行字符串对象的赋值（operator=）操作。结果表明：ImmutableString的效率比std::string高出了一倍左右。假如你的业务就是不断的读取数据库、不断的赋值、不断的输出，而不对字符串进行修改，那么ImmutableString的效率提升是非常可观的。
该示例代码在VC .NET下编译通过。
相关模式
经常会使用Abstract Factory模式[GOF95]来创建新的对象。
大量的对象经常通过Flyweight模式[GOF95]被共享。
参考书目
[Meyers96] Scott Meyers, More Effective C++, Addison-Wesley, 1996.
[GOF95] Erich Gamma etc., Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software, Addison-Wesley, 1995. 中译本：《设计模式：可复用面向对象软件的基础》，李英军等译，机械工业出版社，2000 年9月。
[PAN99] 潘爱民，《COM原理与应用》，清华大学出版社，1999年11月。