Julia 函数：使可变类型不可变

Question

来自 Wolfram Mathematica，我喜欢这样的想法，即每当我将变量传递给函数时，我实际上是在创建该变量的副本。另一方面，我了解到在 Julia 中有可变和不可变类型的概念，前者通过引用传递，后者通过值传递。有人可以向我解释这种区别的优势吗？为什么数组是通过引用传递的？我天真地认为这是一个不好的方面，因为它会产生副作用并破坏编写纯函数代码的可能性。我的推理哪里错了？有没有办法使数组不可变，这样当它传递给函数时，它实际上是按值传递的？

这里是代码示例

#x is an in INT and so is immutable: it is passed by value
x = 10
function change_value(x)
    x = 17
end

change_value(x)

println(x)

#arrays are mutable: they are passed by reference
arr = [1, 2, 3]

function change_array!(A)
    A[1] = 20
end

change_array!(arr)

println(arr)

这确实修改了数组 arr

Answer 1

这里有一个公平的回应。

首先，Julia 不传递引用或传递值。相反，它采用了一种称为传递共享的范式。引用文档：

函数参数本身充当新的变量绑定（可以引用值的新位置），但它们引用的值与传递的值相同。

其次，您似乎在问为什么 Julia 在将数组传递给函数时不复制它们。这是一个简单的答案：性能。Julia 是一种面向性能的语言。每次将数组传递给函数时都进行复制对性能不利。每个copy操作都需要时间。

这有一些有趣的副作用。例如，您会注意到许多成熟的 Julia 包（以及基础代码）由许多短函数组成。这种代码结构是函数调用接近零开销的直接结果。另一方面，像 Mathematica 和 MatLab 这样的语言倾向于长函数。我不想在这里开始一场激烈的战争，所以我只是说我个人更喜欢许多短函数的 Julia 风格。

第三，您想知道传递共享的潜在负面影响。从理论上讲，当用户不确定某个函数是否会修改其输入时，这可能会导致问题，这一点是正确的。在该语言的早期，对此进行了长时间的讨论，根据您的问题，您似乎已经确定约定是修改其参数!的函数在函数名称中带有尾随。有趣的是，这个标准不是强制性的，所以是的，理论上有可能最终出现一个狂野的西部类型的场景，其中用户生活在一个持续的不确定状态中。在实践中，这从来都不是问题（据我所知）。使用约定!在 Base Julia 中强制执行，实际上我从未遇到过不遵守此约定的包。综上所述，是的，pass-by-share 时可能会遇到问题，但在实践中从来没有出现过问题，而且性能收益远远超过成本。

第四（也是最后），您询问是否有办法使数组不可变。首先，我强烈建议不要尝试使本机数组不可变的黑客行为。例如，您可以尝试禁用setindex!数组的功能...但请不要这样做。它会破坏很多东西。

正如对该问题的评论中提到的，您可以使用StaticArrays。然而，正如 Simeon 在对这个答案的评论中指出的那样，对于真正大的数据集使用静态数组会导致性能下降。超过 100 个元素，您可能会遇到编译问题。静态数组的主要好处实际上是可以为较小的静态数组实现的优化。

phipsgabler 在下面的评论中建议的另一个基于包的选项是FunctionalCollections。这似乎可以满足您的需求，尽管它看起来只是偶尔维护。当然，这并不总是一件坏事。

一种更简单的方法是，只要您想实现传值，就在您自己的代码中复制数组。例如：

f!(copy(x))

只要确保你明白之间的差别copy和deepcopy，当你可能需要使用后者。如果您只处理数字数组，则永远不需要后者，实际上使用它可能会大大减慢您的代码速度。

如果您想做一些工作，那么您也可以本着静态数组的精神构建自己的数组类型，但没有静态数组所需的所有花里胡哨。例如：

struct MyImmutableArray{T,N}
    x::Array{T,N}
end
Base.getindex(y::MyImmutableArray, inds...) = getindex(y.x, inds...)

同样，您可以向此类型添加您想要的任何其他函数，同时排除setindex!.