Immutable Collections(3)Immutable List实现原理(中)变化中的不变
文/玄魂
前言
在上一篇文章（Immutable Collections（2）ImmutableList<T>实现原理.（上））,分析了）ImmutableList<T>的初始化过程，本篇博客分析除初始化之外的行为，当然概括起来也很简单——添加、删除、修改。这些行为的背后，我们会看到不可变集合的不变性是如何保持的，如何在不完全拷贝的情况下返回新的集合等等特性的秘密。
博文中引用的代码并非是.NET源码，而是反编译得来，不正确之处，还望指教。
3.1 ADD
接上篇博文，当初始化一个没有任何元素的ImmutableList<T>对象之后，对象会获得一个EmptyNode。
下面看看添加一个元素的流程，及数据结构的变化。
测试代码：
static void Main(string[] args)
{
var fruitBasket = ImmutableList.Create<string>();
var ass = fruitBasket.Add("ddd");}
如上图，在Add方法内部，会调用Node类型的Add方法，返回一个新的的Node实例。Add方法源码如下：
internal ImmutableList<T>.Node Add(T key)
{
return this.Insert(this.count, key);
}
Add方法又调用了Insert方法，此时count=0，key=”ddd”。在Insert内部先判断了左子树是否为空，如果为空则创建新的Node，调用具有四个输入参数的构造函数。
if (this.IsEmpty)//
{
return new ImmutableList<T>.Node(key, this, this, false);
}
这一步很巧妙的完成了树的构造，代码如下：
private Node(T key, ImmutableList<T>.Node left, ImmutableList<T>.Node right, bool frozen = false)
{
Requires.NotNull<ImmutableList<T>.Node>(left, "left");
Requires.NotNull<ImmutableList<T>.Node>(right, "right");
this.key = key;
this.left = left;
this.right = right;
this.height = 1 + Math.Max(left.height, right.height);
this.count = 1 + left.count + right.count;
this.frozen = frozen;
}
原来的root（empty node）这里变成新Node的左右子节点，新节点key字段（即value）被赋值“ddd”，height和count都等于1，此时frozen=false。需要注意的细节是，调用Node(T key, ImmutableList<T>.Node left, ImmutableList<T>.Node right, bool frozen = false)之前传入的this指针和函数内部的this指针指向的是不同的内存区域。
注意，传入的Node对象没有做任何修改，返回的是新New的Node。
当前创建的Node对象的结构如下：
继续运行，从Node类里出来，回到ImmutableList<T>的Add方法：
public ImmutableList<T> Add(T value)
{
ImmutableList<T>.Node node = this.root.Add(value);
return this.Wrap(node);
}
在得到新的的Node后，会执行Wrap方法。
同理，内部的Node完成了树形结构的转换，外部的ImmutableList<T>也要完成这一转换，返回新的ImmutableList<T>对象，将新的Node赋值到自己的root字段上，并初始化相关字段。
private ImmutableList(ImmutableList<T>.Node root, IEqualityComparer<T> valueComparer)
{
Requires.NotNull<ImmutableList<T>.Node>(root, "root");
Requires.NotNull<IEqualityComparer<T>>(valueComparer, "valueComparer");
root.Freeze();
this.root = root;
this.valueComparer = valueComparer;
}
OK，终于又回到了Main函数中，完成了一次轮回：
ImmutableList<T>通过更新树结构，新建ImmutableList<T>对象同时更新对Node的引用创建新的集合。树结构虽然发生了变化，但是原来的集合对节点的引用并没有发生变化，从而保证了集合的不变性。
继续修改Main函数的代码:
static void Main(string[] args)
{
var fruitBasket = ImmutableList.Create<string>();
var a2 = fruitBasket.Add("ddd");
var a3 = a2.Add("ccc");
}
我们观察执行var a3 = a2.Add("ccc")时的行为变化。
当前代码沿着上图所示的路径再次来到Node类的Insert方法。
第一次执行Add时的情景上面分析过了，当Node的左右子树不为空时，首先要判断元素应该添加左还是右，判断逻辑很简单，判断当前准备添加元素的索引是否小于等于左子树元素的个数。由于当前左子树只有一个Empty节点，所以元素会被添加到右子树上去。可以设想一下，如果再次执行添加操作，元素还是会被添加到右子树上去，左边会一直为空。所以在每次添加操作执行完毕之后，会调用MakeBalanced方法来使左右平衡。如果您熟悉红黑树的话，对保持树的平衡时使用的扭转算法应该不会陌生。这里我不想深入解释ImmutableList 的“平衡扭转”算法，我觉得单独拿出来一篇博文来讲解会更好。
下一篇博客中，我们继续分析ImmutableList的其他行为的原理。