Pinnapealne vs sügav kopeerimine: Arendaja juhend andmete dubleerimiseks

Tarkvaraarenduse maailmas on andmete haldamine põhiülesanne. Levinud operatsioon on objekti koopia loomine, olgu selleks kasutajate nimekiri, konfiguratsioonisõnastik või keerukas andmestruktuur. Siiski peidab see lihtsana kõlav ülesanne – „tee koopia“ – endas olulist erisust, mis on põhjustanud lugematuid vigu ja peadmurdmist tekitanud hetki arendajatele üle maailma: erinevust pinnapealse koopia ja sügava koopia vahel.

Selle erinevuse mõistmine ei ole pelgalt akadeemiline harjutus; see on praktiline vajadus robustse, ettearvatava ja vigadeta koodi kirjutamiseks. Kui muudate kopeeritud objekti, kas muudate tahtmatult ka originaali? Vastus sõltub täielikult teie kasutatavast kopeerimisstrateegiast. See juhend pakub põhjalikku, globaalselt keskendunud ülevaadet nendest kahest strateegiast, aidates teil andmete dubleerimist valdama õppida ja oma rakenduse terviklikkust kaitsta.

Põhitõdede mõistmine: Omistamine vs kopeerimine

Enne kui süveneme pinnapealsesse ja sügavasse kopeerimisse, peame kõigepealt selgitama levinud väärarusaama. Paljudes programmeerimiskeeltes ei loo omistamisoperaatori (=) kasutamine objektist koopiat. Selle asemel loob see uue viite – või uue sildi – mis osutab täpselt samale objektile mälus.

Kujutage ette, et teil on tööriistakast. See kast on teie algne objekt. Kui panete samale kastile uue sildi, ei ole te loonud teist tööriistakasti. Teil on lihtsalt kaks silti, mis osutavad ühele kastile. Iga muudatus, mis tehakse tööriistadele ühe sildi kaudu, on nähtav ka teise kaudu, sest need viitavad samale tööriistakomplektile.

Näide Pythonis:

            # original_list on meie 'tööriistakast'
original_list = [[1, 2], [3, 4]]

# assigned_list on lihtsalt teine 'silt' samal kastil
assigned_list = original_list

# Muudame sisu uue sildi abil
assigned_list[0][0] = 99

# Nüüd kontrollime mõlemat nimekirja
print(f"Algne nimekiri: {original_list}")
print(f"Omistatud nimekiri: {assigned_list}")

# Väljund:
# Algne nimekiri: [[99, 2], [3, 4]]
# Omistatud nimekiri: [[99, 2], [3, 4]]
            

              
                Copy
              
            
          

Nagu näha, muutis assigned_list-i muutmine ka original_list-i. See on sellepärast, et need ei ole kaks eraldi nimekirja; need on kaks nime samale nimekirjale mälus. See käitumine on peamine põhjus, miks tõelised kopeerimismehhanismid on hädavajalikud.

Süvenemine pinnapealsesse kopeerimisse

Mis on pinnapealne koopia?

Pinnapealne koopia loob uue objekti, kuid selle sees olevate elementide kopeerimise asemel lisab see viited algsest objektist leitud elementidele. Peamine mõte on see, et tipptaseme konteiner dubleeritakse, kuid selle sees olevad pesastatud objektid mitte.

Tuleme tagasi meie tööriistakasti analoogia juurde. Pinnapealne koopia on nagu uhiuue tööriistakasti (uus tipptaseme objekt) hankimine, kuid selle täitmine viidetega, mis osutavad esimeses kastis olevatele originaaltööriistadele. Kui tööriist on lihtne, muutumatu objekt nagu üks kruvi (muutumatu tüüp nagu number või sõne), toimib see hästi. Aga kui tööriist on ise väiksem, muudetav tööriistakomplekt (muutuv objekt nagu pesastatud nimekiri), osutavad nii originaali kui ka pinnapealse koopia viited sellele samale sisemisele tööriistakomplektile. Kui muudate tööriista selles sisemises komplektis, kajastub muudatus mõlemas kohas.

Kuidas teha pinnapealset koopiat

Enamik kõrgtaseme keeli pakub sisseehitatud viise pinnapealsete koopiate loomiseks.

• Pythonis: Standardiks on copy moodul. Saate kasutada ka andmetüübile spetsiifilisi meetodeid või süntaksit.

              import copy
  
  original_list = [[1, 2], [3, 4]]
  
  # Meetod 1: Kasutades copy moodulit
  shallow_copy_1 = copy.copy(original_list)
  
  # Meetod 2: Kasutades nimekirja copy() meetodit
  shallow_copy_2 = original_list.copy()
  
  # Meetod 3: Kasutades viilutamist (slicing)
  shallow_copy_3 = original_list[:]
              
  
                
                  Copy
                
              
            

• JavaScriptis: Kaasaegne süntaks muudab selle lihtsaks.

              const originalArray = [[1, 2], [3, 4]];
  
  // Meetod 1: Kasutades spread-süntaksit (...)
  const shallowCopy1 = [...originalArray];
  
  // Meetod 2: Kasutades Array.from()
  const shallowCopy2 = Array.from(originalArray);
  
  // Meetod 3: Kasutades slice()
  const shallowCopy3 = originalArray.slice();
  
  // Objektide puhul:
  const originalObject = { name: 'Alice', details: { city: 'London' } };
  const shallowCopyObject = { ...originalObject };
  // või
  const shallowCopyObject2 = Object.assign({}, originalObject);
              
  
                
                  Copy
                
              
            

Pinnapealse kopeerimise lõks: Kus asjad valesti lähevad

Pinnapealse koopia oht ilmneb siis, kui töötate pesastatud muutuvate objektidega. Vaatame seda tegevuses.

            import copy

# Meeskondade nimekiri, kus iga meeskond on nimekiri [nimi, skoor]
original_scores = [['Team A', 95], ['Team B', 88]]

# Loome eksperimenteerimiseks pinnapealse koopia
shallow_copied_scores = copy.copy(original_scores)

# Uuendame meeskonna A skoori kopeeritud nimekirjas
shallow_copied_scores[0][1] = 100

# Lisame kopeeritud nimekirja uue meeskonna (muutes tipptaseme objekti)
shallow_copied_scores.append(['Team C', 75])

print(f"Originaal: {original_scores}")
print(f"Pinnapealne koopia: {shallow_copied_scores}")

# Väljund:
# Originaal: [['Team A', 100], ['Team B', 88]]
# Pinnapealne koopia: [['Team A', 100], ['Team B', 88], ['Team C', 75]]
            

              
                Copy
              
            
          

Pange siin tähele kahte asja:

1. Pesastatud elemendi muutmine: Kui me muutsime pinnapealses koopias 'Meeskond A' skoori 100-ks, muudeti ka algset nimekirja. See on sellepärast, et nii original_scores[0] kui ka shallow_copied_scores[0] osutavad täpselt samale nimekirjale ['Team A', 95] mälus.
2. Tipptaseme elemendi muutmine: Kui me lisasime pinnapealsesse koopiasse 'Meeskond C', ei mõjutanud see algset nimekirja. See on sellepärast, et shallow_copied_scores on uus, eraldiseisev tipptaseme nimekiri.

See kahetine käitumine ongi pinnapealse koopia definitsioon ja sage vigade allikas rakendustes, kus andmete olekut tuleb hoolikalt hallata.

Millal kasutada pinnapealset koopiat

Vaatamata võimalikele lõksudele on pinnapealsed koopiad äärmiselt kasulikud ja sageli õige valik. Kasutage pinnapealset koopiat, kui:

• Andmed on lamedad: Objekt sisaldab ainult muutumatuid väärtusi (nt numbrite nimekiri, sõnastik sõnestringi võtmete ja täisarvuliste väärtustega). Sel juhul käitub pinnapealne koopia identselt sügava koopiaga.
• Jõudlus on kriitiline: Pinnapealsed koopiad on oluliselt kiiremad ja mälusäästlikumad kui sügavad koopiad, sest nad ei pea läbima ja dubleerima tervet objektipuud.
• Kavatsete jagada pesastatud objekte: Mõnes disainis võite soovida, et muudatused pesastatud objektis leviksid. Kuigi see on harvem, on see kehtiv kasutusjuht, kui seda tehakse tahtlikult.

Sügava kopeerimise uurimine

Mis on sügav koopia?

Sügav koopia konstrueerib uue objekti ja seejärel lisab rekursiivselt koopiad originaalist leitud objektidest. See loob täieliku, iseseisva klooni algsest objektist ja kõigist selle pesastatud objektidest.

Meie analoogias on sügav koopia nagu uue tööriistakasti ja täiesti uue, identse komplekti kõigist tööriistadest ostmine, et need sinna sisse panna. Ükski muudatus, mida teete uues tööriistakastis olevatele tööriistadele, ei mõjuta absoluutselt originaalkastis olevaid tööriistu. Need on täielikult iseseisvad.

Kuidas teha sügavat koopiat

Sügav kopeerimine on keerukam operatsioon, seega toetume tavaliselt selleks otstarbeks loodud standardteegi funktsioonidele.

• Pythonis: Moodul copy pakub selleks lihtsat funktsiooni.

              import copy
  
  original_scores = [['Team A', 95], ['Team B', 88]]
  
  deep_copied_scores = copy.deepcopy(original_scores)
  
  # Nüüd muudame sügavat koopiat
  deep_copied_scores[0][1] = 100
  
  print(f"Originaal: {original_scores}")
  print(f"Sügav koopia: {deep_copied_scores}")
  
  # Väljund:
  # Originaal: [['Team A', 95], ['Team B', 88]]
  # Sügav koopia: [['Team A', 100], ['Team B', 88]]
              
  
                
                  Copy
                
              
            

  Nagu näete, jääb algne nimekiri puutumata. Sügav koopia on tõeliselt iseseisev üksus.

• JavaScriptis: Pikka aega puudus JavaScriptis sisseehitatud sügava kopeerimise funktsioon, mis viis levinud, kuid vigase lahenduseni.

  Vana (probleemne) viis:

              const originalObject = { name: 'Alice', details: { city: 'London' }, joined: new Date() };
  // See meetod on lihtne, kuid sellel on piirangud!
  const deepCopyFlawed = JSON.parse(JSON.stringify(originalObject));
              
  
                
                  Copy
                
              
            

  See JSON-trikk ebaõnnestub andmetüüpidega, mis ei ole JSON-is kehtivad, näiteks funktsioonid, undefined, Symbol, ja see teisendab Date-objektid sõnedeks. See ei ole usaldusväärne sügava kopeerimise lahendus keerukate objektide jaoks.

  Kaasaegne, õige viis: structuredClone()

  Kaasaegsed veebilehitsejad ja JavaScripti käituskeskkonnad (nagu Node.js) toetavad nüüd funktsiooni structuredClone(), mis on õige, sisseehitatud viis sügava koopia tegemiseks.

              const originalObject = { name: 'Alice', details: { city: 'London' }, joined: new Date() };
  
  const deepCopyProper = structuredClone(originalObject);
  
  // Muuda koopiat
  deepCopyProper.details.city = 'Tokyo';
  
  console.log(originalObject.details.city); // Väljund: "London"
  console.log(deepCopyProper.details.city); // Väljund: "Tokyo"
  
  // Date-objekt on samuti uus, eraldiseisev objekt
  console.log(originalObject.joined === deepCopyProper.joined); // Väljund: false
              
  
                
                  Copy
                
              
            

  Igasuguses uues arenduses peaks structuredClone() olema teie vaikimisi valik sügavaks kopeerimiseks JavaScriptis.

Kompromissid: Millal sügav kopeerimine võib olla liigne

Kuigi sügav kopeerimine pakub kõrgeimat andmete isolatsiooni taset, kaasnevad sellega kulud:

• Jõudlus: See on oluliselt aeglasem kui pinnapealne koopia, sest see peab läbima iga objekti hierarhias ja looma uue. Väga suurte või sügavalt pesastatud objektide puhul võib see muutuda jõudluse pudelikaelaks.
• Mälukasutus: Iga üksiku objekti dubleerimine tarbib rohkem mälu.
• Keerukus: Sellel võib tekkida probleeme teatud objektidega, nagu failikäepidemed või võrguühendused, mida ei saa sisukalt dubleerida. Samuti peab see käsitlema ringviiteid, et vältida lõpmatuid tsükleid (kuigi robustsed implementatsioonid nagu Pythoni `deepcopy` ja JavaScripti `structuredClone` teevad seda automaatselt).

Pinnapealne vs sügav koopia: Otsevõrdlus

Siin on kokkuvõte, mis aitab teil otsustada, millist strateegiat kasutada:

Pinnapealne koopia

• Definitsioon: Loob uue tipptaseme objekti, kuid täidab selle viidetega originaali pesastatud objektidele.
• Jõudlus: Kiire.
• Mälukasutus: Madal.
• Andmete terviklikkus: Kalduvus soovimatutele kõrvalmõjudele, kui pesastatud objekte muudetakse.
• Parim: Lamedate andmestruktuuride, jõudlustundliku koodi või siis, kui soovite tahtlikult jagada pesastatud objekte.

Sügav koopia

• Definitsioon: Loob uue tipptaseme objekti ja rekursiivselt uued koopiad kõigist pesastatud objektidest.
• Jõudlus: Aeglasem.
• Mälukasutus: Kõrge.
• Andmete terviklikkus: Kõrge. Koopia on originaalist täielikult sõltumatu.
• Parim: Keerukate, pesastatud andmestruktuuride jaoks; andmete isolatsiooni tagamiseks (nt olekuhalduses, tagasivõtmise/uuestitegemise funktsionaalsuses); ja jagatud muutuva oleku põhjustatud vigade vältimiseks.

Praktilised stsenaariumid ja globaalsed parimad tavad

Vaatleme mõningaid reaalseid stsenaariume, kus õige kopeerimisstrateegia valimine on kriitilise tähtsusega.

Stsenaarium 1: Rakenduse konfiguratsioon

Kujutage ette, et teie rakendusel on vaikekonfiguratsiooni objekt. Kui kasutaja loob uue dokumendi, alustate sellest vaikekonfiguratsioonist, kuid lubate tal seda kohandada.

Strateegia: Sügav koopia. Kui kasutaksite pinnapealset koopiat, võiks kasutaja, kes muudab oma dokumendi fondi suurust, kogemata muuta vaikefondi suurust iga järgneva loodava dokumendi jaoks. Sügav koopia tagab, et iga dokumendi konfiguratsioon on täielikult isoleeritud.

Stsenaarium 2: Vahemällu salvestamine (caching) või memoiseerimine

Teil on arvutuslikult kulukas funktsioon, mis tagastab keeruka, muutuva objekti. Jõudluse optimeerimiseks salvestate tulemused vahemällu. Kui funktsiooni kutsutakse uuesti samade argumentidega, tagastate vahemällu salvestatud objekti.

Strateegia: Sügav koopia. Peaksite tulemuse sügavalt kopeerima enne selle vahemällu paigutamist ja uuesti sügavalt kopeerima selle vahemälust väljavõtmisel. See takistab kutsujal kogemata vahemällu salvestatud versiooni muutmist, mis rikuks vahemälu ja tagastaks järgmistele kutsujatele valesid andmeid.

Stsenaarium 3: "Tagasivõtmise" (Undo) funktsionaalsuse implementeerimine

Graafilises redaktoris või tekstitöötlusprogrammis peate implementeerima "tagasivõtmise" funktsiooni. Otsustate salvestada rakenduse oleku iga muudatuse järel.

Strateegia: Sügav koopia. Iga oleku hetktõmmis peab olema täielik, iseseisev salvestis rakendusest sel hetkel. Pinnapealne koopia oleks katastroofiline, kuna varasemaid olekuid tagasivõtmise ajaloos muudetaks hilisemate kasutajategevustega, mis muudaks korrektse tagasipööramise võimatuks.

Stsenaarium 4: Kõrgsagedusliku andmevoo töötlemine

Ehitad süsteemi, mis töötleb tuhandeid lihtsaid, lamedaid andmepakette sekundis reaalajas voost. Iga pakett on sõnastik, mis sisaldab ainult numbreid ja sõnesid. Peate edastama nende pakettide koopiaid erinevatele töötlemisüksustele.

Strateegia: Pinnapealne koopia. Kuna andmed on lamedad ja muutumatud, on pinnapealne koopia funktsionaalselt identne sügava koopiaga, kuid palju suurema jõudlusega. Sügava koopia kasutamine siin raiskaks asjatult protsessori tsükleid ja mälu, mis võib potentsiaalselt põhjustada süsteemi mahajäämist andmevoost.

Täpsemad kaalutlused

Ringviidete käsitlemine

Ringviide tekib siis, kui objekt viitab iseendale, kas otse või kaudselt (nt `a.parent = b` ja `b.child = a`). Naiivne sügava kopeerimise algoritm satuks nende objektide kopeerimisel lõpmatusse tsüklisse. Professionaalse taseme implementatsioonid nagu Pythoni `copy.deepcopy()` ja JavaScripti `structuredClone()` on loodud seda käsitlema. Nad peavad arvestust objektide üle, mida nad on ühe kopeerimisoperatsiooni käigus juba kopeerinud, et vältida lõpmatut rekursiooni.

Kopeerimiskäitumise kohandamine

Objektorienteeritud programmeerimises võite soovida kontrollida, kuidas teie kohandatud klasside eksemplare kopeeritakse. Python pakub selleks võimsa mehhanismi erimeetodite kaudu:

• __copy__(self): Määratleb käitumise copy.copy() jaoks (pinnapealne koopia).
• __deepcopy__(self, memo): Määratleb käitumise copy.deepcopy() jaoks (sügav koopia). memo sõnastikku kasutatakse ringviidete käsitlemiseks.

Nende meetodite implementeerimine annab teile täieliku kontrolli oma objektide dubleerimisprotsessi üle.

Kokkuvõte: Õige strateegia enesekindel valimine

Erinevus pinnapealse ja sügava kopeerimise vahel on programmeerimises oskusliku andmehalduse nurgakivi. Vale valik võib viia peente, raskesti jälgitavate vigadeni, samas kui õige valik viib ettearvatavate, robustsete ja usaldusväärsete rakendusteni.

Juhtpõhimõte on lihtne: "Kasuta pinnapealset koopiat, kui saad, ja sügavat koopiat, kui pead."

Õige otsuse tegemiseks esitage endale järgmised küsimused:

1. Kas minu andmestruktuur sisaldab teisi muutuvaid objekte (nagu nimekirjad, sõnastikud või kohandatud objektid)? Kui ei, on pinnapealne koopia täiesti ohutu ja tõhus.
2. Kui jah, kas minul või mõnel teisel minu koodi osal on vaja neid pesastatud objekte kopeeritud versioonis muuta? Kui jah, vajate peaaegu kindlasti sügavat koopiat andmete isolatsiooni tagamiseks.
3. Kas selle konkreetse kopeerimisoperatsiooni jõudlus on kriitiline pudelikael? Kui jah, ja kui saate garanteerida, et pesastatud objekte ei muudeta, on parem valik pinnapealne koopia. Kui korrektsus nõuab isolatsiooni, peate kasutama sügavat koopiat ja otsima optimeerimisvõimalusi mujalt.

Neid kontseptsioone omandades ja neid läbimõeldult rakendades tõstate oma koodi kvaliteeti, vähendate vigu ja ehitate vastupidavamaid süsteeme, olenemata sellest, kus maailmas te programmeerite.