不可变数据结构（Immutable Data Structures）是指一旦创建之后，其内容就不能被修改的数据结构。这意味着任何对不可变数据结构的“修改”操作实际上都会返回一个新的数据结构，而原始数据结构保持不变。
一、不可变数据结构的核心特点
- 不可变性：一旦创建后，数据结构的内容不能被改变。
- 持久化数据结构：由于不可变数据结构在“修改”时会生成新的实例，旧版本的数据仍然可以访问和使用。这种特性称为持久化（Persistence）。
- 引用透明性：相同的输入总是产生相同的结果，这使得函数式编程中的推理和优化更加容易。
二、为什么使用不可变数据结构？
1. 线程安全
由于不可变数据结构不能被修改，因此它们天然就是线程安全的。多个线程可以共享同一个不可变对象，而不用担心并发修改问题。
2. 简化调试和测试
由于不可变数据结构的状态不会改变，调试和测试变得更加简单。你不需要担心某个地方意外地改变了数据结构的状态。
3. 便于函数式编程
函数式编程强调无副作用（side-effect-free）和纯函数（pure functions）。不可变数据结构非常适合这种编程范式，因为它们确保了函数的输出只依赖于输入，而不受外部状态的影响。
4. 优化性能
虽然每次“修改”都生成新的实例看起来效率低下，但实际上许多不可变数据结构实现中采用了结构共享技术（structural sharing），从而减少了内存开销和复制操作的时间复杂度。
三、常见的不可变数据结构
1. 不可变数组（Immutable Array）
在不可变数组中，任何修改操作（如添加、删除或更新元素）都会返回一个新的数组，而不是修改原来的数组。
示例（JavaScript + Immutable.js 库）
const { List } = require('immutable');
// 创建一个不可变数组
let list = List([1, 2, 3]);
// 添加一个元素，返回一个新的列表
let newList = list.push(4);
console.log(list.toString()); // 输出: "List [ 1, 2, 3 ]"
console.log(newList.toString()); // 输出: "List [ 1, 2, 3, 4 ]"
2. 不可变映射（Immutable Map）
不可变映射是一种键值对集合，任何修改操作都会返回一个新的映射。
示例（JavaScript + Immutable.js 库）
const { Map } = require('immutable');
// 创建一个不可变映射
let map = Map({ a: 1, b: 2 });
// 更新一个键的值，返回一个新的映射
let newMap = map.set('a', 3);
console.log(map.toString()); // 输出: "Map { "a": 1, "b": 2 }"
console.log(newMap.toString()); // 输出: "Map { "a": 3, "b": 2 }"
3. 不可变集合（Immutable Set）
不可变集合是一种不包含重复元素的集合，任何修改操作都会返回一个新的集合。
示例（JavaScript + Immutable.js 库）
const { Set } = require('immutable');
// 创建一个不可变集合
let set = Set([1, 2, 3]);
// 添加一个元素，返回一个新的集合
let newSet = set.add(4);
console.log(set.toString()); // 输出: "Set { 1, 2, 3 }"
console.log(newSet.toString()); // 输出: "Set { 1, 2, 3, 4 }"
四、实现不可变数据结构的技术
1. 结构共享（Structural Sharing）
结构共享是一种优化技术，通过共享未更改的部分来减少新实例的内存占用。例如，在不可变树结构中，如果只修改了一个叶子节点，则只需要复制从根到该叶子节点路径上的节点，其余部分可以共享。
2. 持久化数据结构（Persistent Data Structures）
持久化数据结构允许访问历史版本的数据。由于不可变数据结构的特性，旧版本的数据在新版本生成后仍然可以访问。
3. 版本控制（Versioning）
某些不可变数据结构实现中引入了版本控制机制，以便跟踪数据的不同版本。
五、不可变数据结构的实际应用
1. React 和 Redux
React 和 Redux 是两个广泛使用的前端框架和库，它们大量使用了不可变数据结构的思想。特别是在 Redux 中，状态管理是基于不可变性的，状态的每一次更新都会生成一个新的状态对象，而不是直接修改现有的状态。
2. 函数式编程语言
许多函数式编程语言（如 Clojure、Haskell）内置支持不可变数据结构，并且这些语言的设计鼓励使用不可变数据结构来编写无副作用的代码。
六、总结
不可变数据结构是一种重要的编程概念，特别适用于需要高并发、易于调试和测试以及函数式编程的场景。尽管不可变数据结构可能会带来一些额外的内存开销，但通过结构共享等优化技术，这些开销通常是可以接受的。
