F# 按值复制与按引用复制
最后修改于 2025 年 5 月 16 日
本教程通过 F# 的函数式优先方法，解释了 F# 如何处理值类型和引用类型，强调了不变性和清晰的复制语义。理解这些概念对于编写正确的 F# 代码至关重要。
默认不变性
F# 默认鼓励不变性，这简化了代码推理。
- 不变值：使用
let进行的默认绑定会创建不变值。 - 可变变量：必须使用
mutable关键字显式声明。 - 值类型：原始类型、结构体和元组。
- 引用类型：类、数组、记录（尽管记录默认是不变的）。
F# 区分不变类型和可变类型。不变类型按值复制，而可变类型按引用复制。这意味着赋值一个可变类型会创建一个指向原始对象的引用，而不是逻辑副本。
| 特征 | 不变类型 | 可变类型 |
|---|---|---|
| 默认行为 | 是 | 否（需要 mutable） |
| 复制语义 | 按值复制（逻辑复制） | 引用语义 |
| 示例 | int、string、记录 |
mutable 变量、类、数组 |
在上面的表格中，我们总结了 F# 中不变类型和可变类型的主要区别。不变类型按值复制，而可变类型按引用复制。
不变值类型
F# 将原始类型视为不变值。赋值会创建逻辑副本。
// Primitive types are immutable let a = 10 let b = a // Logical copy printfn "Original: a = %d, b = %d" a b let b' = b + 5 // Creates new value printfn "After change: a = %d, b' = %d" a b' // Tuples are immutable let tuple1 = (1, "hello") let tuple2 = tuple1 // Copy // tuple2.Item1 <- 2 // Would cause error
在上面的示例中，a 和 b 都是不变整数。赋值 b = a 创建了 a 的逻辑副本。当我们修改 b 时，它不会影响 a。元组也一样，它们也是不变的。
$ dotnet fsi Program.fs Original: a = 10, b = 10 After change: a = 10, b' = 15
记录和区分联合
F# 的记录和区分联合类型默认是不变的。它们允许进行逻辑复制和更新。
type Person = { Name: string; Age: int }
type Shape =
| Circle of radius: float
| Rectangle of width: float * height: float
let person1 = { Name = "Alice"; Age = 30 }
let person2 = person1 // Copy
let person3 = { person2 with Age = 31 } // Copy with update
printfn "person1: %A" person1
printfn "person3: %A" person3
let shape1 = Circle 5.0
let shape2 = shape1 // Copy
在上面的示例中，我们定义了一个记录类型 Person 和一个区分联合类型 Shape。赋值 person2 = person1 创建了 person1 的逻辑副本。with 语法允许我们创建一个具有更新的 Age 字段的新记录，同时保持其他字段不变。
可变变量
F# 在明确请求时允许可变变量。mutable 关键字用于声明可变变量。但是，建议默认使用不变性，仅在必要时使用可变性。
let mutable counter = 0 counter <- counter + 1 // Mutation allowed // Reference cells are another mutable option let cell = ref 10 cell := 20 // Update content printfn "Cell value: %d" !cell
在上面的示例中，我们声明了一个可变变量 counter 和一个引用单元格 cell。ref 类型允许我们创建对值的可变引用。:= 运算符用于更新引用单元格的内容，而 ! 运算符用于解引用它。
数组和引用类型
数组和自定义类具有引用语义。赋值复制引用。
let array1 = [| 1; 2; 3 |]
let array2 = array1 // Copies reference
array2.[0] <- 99 // Modifies original
printfn "array1: %A" array1
printfn "array2: %A" array2
type MutablePoint(x: int, y: int) =
member val X = x with get, set
member val Y = y with get, set
let p1 = MutablePoint(1, 2)
let p2 = p1 // Copies reference
p2.X <- 10 // Modifies original
printfn "p1: (%d, %d)" p1.X p1.Y
在上面的示例中，修改 array2 也会影响 array1，修改 p2 也会影响 p1。这是因为 array1 和 p1 都是指向相同底层数据的引用。
参数传递
F# 遵循 .NET 的按值传递方法，但具有不变性重点。值类型按值传递，而引用类型按引用传递。这意味着在函数内部修改值类型不会影响原始值，但修改引用类型会。
let modifyValue x =
let x' = x + 10 // Can't modify original
printfn "Inside function: %d" x'
let modifyArray (arr: int[]) =
arr.[0] <- 100 // Modifies original
printfn "Inside function: %A" arr
let a = 5
modifyValue a
printfn "After modifyValue: %d" a
let nums = [| 1; 2; 3 |]
modifyArray nums
printfn "After modifyArray: %A" nums
在上面的示例中，modifyValue 不会改变原始的 a，而 modifyArray 会修改原始的 nums。
复制策略
在 F# 中复制数据结构的各种方法包括浅复制、深复制和复制-更新。选择取决于数据结构类型和所需行为。
// Records - copy with update
let originalRecord = { Name = "Alice"; Age = 30 }
let copyRecord = { originalRecord with Age = 31 }
// Arrays - clone
let originalArray = [| 1..5 |]
let shallowCopy = Array.copy originalArray
let deepCopy = Array.map id originalArray // Creates new array
// Lists - immutable, so "copy" is just binding
let originalList = [1; 2; 3]
let copyList = originalList // Same list
在上面的示例中，我们演示了如何创建记录、数组和列表的副本。记录使用 with 语法进行复制和更新，而数组可以克隆或映射以创建新数组。列表是不变的，因此复制只是一个指向同一列表的引用。
总结与最佳实践
- 在 F# 中，默认优先使用不变性。
- 仅在必要时使用
mutable。 - 记录和区分联合提供了安全的不变数据结构。
- 数组和类具有引用语义。
- 使用记录的复制-更新语法（
with）。 - 在函数签名中明确说明可变性。
- 考虑复制大型结构对性能的影响。
F# 处理复制和可变性的方法通过使副作用显性化，有助于编写更可预测和可维护的代码。
在本文中，我们探讨了 F# 中复制值和引用的概念。我们讨论了值类型和引用类型之间的区别、不变性的影响以及 F# 如何处理参数传递。我们还研究了各种复制策略和处理 F# 中数据结构的最佳实践。理解这些概念对于编写正确高效的 F# 代码至关重要。
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