谈一谈无状态和无副作用

概述

在开发系统的时候，我们经常会听到无状态，无副作用，以及纯函数等概念。这些概念经常被人忽视，我结合自己的工作经验，为大家来谈一下我的理解。

无状态

对于无状态这个词，我们听到最多的是无状态函数

无状态函数

这个概念是我们最常听到的，无状态函数的意思是

一个给定的函数，在任意时刻，对它使用相同的入参，其返回结果一定是不变的。

一个简单的例子

function add(a,b) {return a + b;
}

类似这样的例子，非常简单，因为无论任何时候， a + b 的值都只由 a 和 b 决定。

类似的一个有状态的函数

var temp = 3;
function addV2(a ,b) {return a + b + temp;
}

在这个例子里，addV2 对返回的结果，并不总是唯一的，因为一旦修改 temp 的值，则 addV2 方法的返回结果就会修改，所以这样的方法不是无状态的。无状态函数，在一些地方被称为是纯函数。

为什么我们提倡无状态

无状态最大的好处在于高内聚，对于一个高内聚的方法，带来的一个极大的好处就是可以快速组件化，在分布式系统里，无状态往往意味着可以快速的进行水平扩容，只需要添加机器便可。并且无状态还带来一个好处，就是便于测试，因为对于无状态函数来说，测试只需要构造入参就好了，但是有状态的函数普遍更难构造上下文，也更难以去测试。

状态的必然性

虽然无状态的方法或者对象有很多好处，但是实际上在真实的业务场景中，我们写的代码，几乎都是有状态的。原因很简单，因为我们服务的用户是不断在变化的。举个例子，我们现在提供一个用户查询订单的方法，这个方法的入参是用户的身份信息，但是这个方法不可能是无状态的，因为用户会购买商品，产生新的订单，你的方法返回的结果必然是要改变的。

之所以对象无法是无状态的，本质的原因是因为对象的返回结果，除了依赖输入外，还依赖其它外部的对象，而外部的对象是有状态的。

无副作用函数

一个函数如果他的返回值依赖了除入参外的其它变量，那么他会是有状态的函数。而如果一个函数在运行的过程中，除了返回变量，还修改了其它函数体外的变量，那么这个函数被称为有副作用的函数。

var temp = 1;
function addV3(a,b){temp = temp + 1;return temp + a + b;
}

见上方函数，这个函数会在每次执行的过程中修改 temp 的值，有这样行为的函数，我们称为有副作用的函数。但是 addV2 函数却是一个无副作用的函数，因为他只读 temp 这个外部变量，而不会修改它。

为什么要倡导无副作用的函数

倡导无副作用的函数，主要原因是因为副作用操作，不利于代码的阅读，因为我们在阅读到一份使用了有副作用的代码的时候，我们将难以正确的评估函数造成的影响。这往往是出现 Bug 的地方。如果函数式无副作用的，我们仅仅只需要关注它的输出就好了。

不可变对象

一个对象往往有很多属性值，如果一个对象的某个属性 field 的值是 a, 我们希望将他变为 b，最简单的方案是直接修改 field，field = 2。这样的操作看起来是非常简单的。在大多数应用中这样都是没有问题的，但是在并发系统中，我们却更倾向于使用不可变对象。

所谓不可变对象，指的是对象的属性是不可以被修改的，如果需要修改属性，则创建
一个新的对象，这个对象相应的属性的值变为需要的新值

并发系统为什么倾向于使用不可变对象

因为并发系统中，常常会有多个线程读取同一个对象的情况，如果线程 A 修改了对象，那么极有可能导致线程 B 读取错误。举一个笔者的亲身经历，我们现在做一个新闻系统，热点的新闻被缓存在 LocalCache 中，这个 LocalCache 可以是 guava cache 等实现。
现在我们一个需求，是开发一个展示热点新闻列表的接口，这个时候，从 LocalCache 中获取到的新闻数据结构如下

[
{
"title":"北斗卫星发射",
"content":"2018 年某一天，北斗系统发送了第 ...."
},
{
"title": ”xxx 公司股价大涨 5%",
"content":"2019-01-02 xxx 公司，因为 YYY ..."
}
]

对于一个新闻列表的数据接口来说，正文 "content” 是不需要的，仅仅需要标题就好了，如果在列表接口中返回 "content” 字段的内容，那么将会产生大量的流量浪费，这个时候我们可以将 content 置为 null ，那么就能节约大量的流量。我们的代码可以这么写

//以下用 Java 代码举例
List<Long> hotNewsId = Arrays.asList(1L,2L,3L);
List<NewVO> news = localCache.get(hotNewsId);
//将 content 置为 null
new.foreach(vo -> vo.setContent(null));
return news;

这样写看起来没有问题，读列表接口性能也很好，但是这样写却出问题了，这样写完之后，打开文章详情页，结果发现文章的正文居然为空了。排查后发现，原因就是因为并发读写的问题。
因为 NewVO 被缓存了，读取列表的时候，content 被置为空，结果当 localCache 中的缓存没有更新的时候，另一个打开文章详情的请求，获取到了这个 content 已经被置为空的对象，导致文章详情页为空。

正是为了避免类似这样的问题发生，在并发系统中，我们倾向于使用不可变对象，通常来说，除非创建对象开销极大，再考虑共享。