Thread-safe .NET durch Immutables

RobinSedlaczek
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RobinSedlaczek@live.de

RobinSedlaczek
 CTO der Fairmas GmbH in Berlin
 Community Leader DNUG Berlin
 Blogger / .NET Code Geek
 Sprecher
 MSDN Moderator
 Freier Autor
(Entwickler.de, Heise, DotNetPro, Informatik aktuell)
 Open Source
(SharpGL, Roslyn, FxCopAnalyzers)
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Warum Immutables?

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MOTIVATION
Abhängiger
Code
Global
Variable/State
Abhängiger
Code
Abhängiger
Code
Abhängiger
Code
Abhängiger
Code
Global
Variable/State
Abhängiger
Code
Abhängiger
Code
Abhängiger
Code
Abhängiger
Code
Abhängiger
Code

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MOTIVATION

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DEFINITION
 Ein immutable (unveränderliches) Objekt ist ein
Objekt, dessen Zustand nach der Erzeugung nicht
mehr verändert werden kann.
 Immutable ist auch, wenn der Zustand eines
Objektes nach Außen unveränderlich erscheint,
auch wenn sich intern benutzte Attribute ändern.

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WEAK VS. STRONG
 Nur einige Felder eines Objektes sind immutable
 Weakly immutable
 Alle Felder eines Objektes sind immutable
 Immutable
 Klasse kann nicht durch andere Klasse erweitert werden
 Strongly immutable

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VORTEILE
 Immutables sind Inhärent Thread-safe
 Immutables sind leichter zu verstehen
 Annahmen können leichter getroffen werden
 Immutables können Speicherverbrauch reduzieren
 Immutables können Performance verbessern
 Immutables sind sicherer

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.NET Immutable Collections

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INFOS
• Arbeit begann 12/2012, erste Beta-Versionen wurden unabhängig vom .NET Framework-Releasezyklus
ausgeliefert (wegen gewünschtem Feedback aus der Community)
– September 2013 dann erstes stabiles Release v1.0.27
• Immutable Collections sind Teil der BCL
• Seit v1.1.32-beta anderer Namespace: Umzug von Microsoft.Bcl.Immutable zu System.Collections.Immutable
• Aktuelle Version 1.1.37
• Können ab .NET 4.5 verwendet werden
– für Desktop, Windows Store, Portable Class Library, Windows Phone 8)
• Können via NuGet bezogen werden: https://www.nuget.org/packages/System.Collections.Immutable
• Große Beliebtheit:
– 1,196,190 Downloads
– 2,202 Downloads durchschnittlich pro Tag
• Implementierungsdetails:
– For efficiency reasons, the implementation uses a sharing mechanism to ensure that newly created instances share as much data as
possible with the previous instance while ensuring that operations have a predictable time complexity.

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C# - Sprachmerkmale
zur Unterstützung von Immutables

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NEU IN C# 6
 Initialisierung von Read-Only Auto-Properties in Deklaration
 Initialisierung von Read-Only Auto-Properties in Konstruktor
 Expression-bodied Properties und Functions

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NEU IN C# 7
 Immutable Object Creation
 Pattern Matching und Deconstruction
 With-Expressions
 Object Initializers für immutable Objects

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NEU IN C# 7
public class Person
{
public string FirstName { get; }
public string LastName { get; }
public Person(string firstName, string lastName)
{
FirstName = firstName;
LastName = lastName;
}
}
var p = new Person { FirstName = "Mickey", LastName = "Mouse" }; // object initializer
if (p is Person("Mickey", *)) // positional deconstruction
{
return p with { FirstName = "Minney" }; // with-expression
}

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Fallstudie Roslyn

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WAS IST ROSLYN
 Aufbrechen der klassischen Blackbox
 Bereitstellung einer API-Schicht über dem Compiler
 Bereitstellung der Compiler-Ergebnisse über Objektmodelle
Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4
Blackbox wird zur Plattform:
.NET Compiler Platform

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AUFBAU EINES COMPILERS
Zerlegen des
Quelltextes in Tokens
Parsen der Tokens in die
Syntax, die von der Grammatik
vorgegeben ist (AST)
Typdeklarationen aus Code
und Metadaten zu benannten
Symbolen (Symboltabelle)
Identifier in Code
abstimmen/verbinden mit
benannten Symbolen
Plattformunabhängige
Optimierungen
Plattformabhängige
Optimierungen
All gesammelten
Informationen werden in
Binary/Assembly ausgegeben
Tokenizer/
Lexer
Parser Symbols Binder
CodeGen
Preprocessor
Code Generator
CodeGen
Postprocessor
Lexikalische
Analyse
Syntaktische
Analyse
Semantische
Analyse
Synthese-
Phase

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COMPILER SERVICES (APIs)

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SYNTAXANALYSE
var tree = CSharpSyntaxTree.ParseText(sourceCode);
var node = tree.GetRoot();
 SyntaxTree ist abstrakt
 Parsing über sprachspezifische Ableitung
 SyntaxTree ist immutable

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SEMANTISCHE ANALYSE
var compilation = CSharpCompilation
.Create("CodeInCurrentProject")
.AddReferences(references)
.AddSyntaxTrees(trees);
var semanticModel = compilation.GetSemanticModel(tree);
var emitResult = compilation.Emit(path);
 Compilation ist abstrakt
 daher wieder sprachspezifische Ableitungen
 Compilation ist immutable

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UNTER DER HAUBE
Der Code (links) wurde mehrfach der Syntaxanalyse unterzogen. Beim ersten Durchlauf wurden
1665 Objekte erzeugt. Beim zweiten waren es nur noch 16 Objekte. Hinter der unveränderlichen
Fassade optimiert Roslyn den Speicherverbrauch (siehe Red-Green-Trees).

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UNTER DER HAUBE
Für jeden Parsing-Vorgang werden bereits gecachte Objekte
wiederverwendet. Auch wenn der Code ein ganz anderer ist.
Eine detaillierte technische Erläuterung der Cache-
Implementierung in Lexer und Parser befindet sich hier:
http://bit.ly/1VAoVY8

RobinSedlaczek
UNTER DER HAUBE
Red Tree: Immutable nach außen!
Green Tree: interne Optimierung
Red-Green-Trees stellen einen Optimierungsansatz dar: die
eigentliche interne Struktur zur Darstellung eines Syntaxbaums
(Green Tree) ist wesentlich kleiner als der immutable Syntaxbaum,
den der Client sieht (Red Tree).

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