O que é mutável versus imutável?

Mutável versus imutável é um princípio que orienta as abordagens modernas no desenvolvimento de software e na gestão de infraestrutura.

A distinção pode ser comparada a escrever um texto em um quadro branco. Se você pode adicionar palavras, apagar partes ou alterar o que está escrito, isso é como um recurso mutável. Mas se o quadro branco for lacrado sob o vidro no momento em que você terminar e você precisar usar um novo quadro branco para escrever outra coisa, esse será um recurso imutável.

Embora esse conceito se aplique amplamente na computação, ele é mais comumente encontrado na programação. Na programação, é essencial para tarefas comuns entender quais tipos de dados podem ser modificados diretamente e quando uma nova cópia deve ser criada. Essas tarefas incluem escrever algoritmos, criar interfaces de programação de aplicativos (APIs) e projetar classes em programação orientada a objetos (OOP).

A escolha de usar objetos mutáveis ou imutáveis afeta a forma como os dados são gerenciados na memória, até que ponto eles podem ser compartilhados ou alterados com segurança e se podem ocorrer efeitos colaterais indesejados. Essa é a razão pela qual mutável versus imutável é um conceito fundamental para programadores iniciantes e experientes.

Por exemplo, na linguagem de programação Python, listas e dicionários são tipos mutáveis. Os itens podem ser adicionados, removidos ou modificados dentro desses objetos. Em contraste, objetos como booleanos (valores verdadeiros ou falsos) ou tuplas — coleções ordenadas como (1,2,3) — são tipos imutáveis. Seu conteúdo não pode ser alterado ou sofrer mutação sem criar um objeto totalmente novo.

A escolha entre dados mutáveis e imutáveis geralmente depende de três fatores principais: se os dados precisam de atualizações frequentes, são compartilhados entre threads ou exigem histórico de versão. 

Os tipos mutáveis geralmente funcionam melhor quando os dados precisam de atualizações frequentes e várias partes de um programa modificam o mesmo objeto.

Objetos mutáveis modificam dados no local, reduzindo o uso de memória ao evitar a necessidade de criar novos objetos. Ele pode reduzir o uso do processador do garbage collection, o processo de remoção de dados não utilizados para liberar memória, porque pode ser necessário criar e coletar menos objetos temporários.

Por exemplo, carrinhos de compras em aplicativos usam listas mutáveis para adicionar ou remover itens diretamente sem criar novos objetos para cada alteração.

Os tipos mutáveis têm um melhor desempenho com dados que mudam com frequência, como listas crescentes ou contadores em tempo real, porque atualizam objetos existentes em vez de criar novos. Essa eficiência acelera as operações em estruturas de dados que dependem de modificações rápidas.

Por exemplo, a playlist de um aplicativo de música pode usar uma lista mutável para fazer atualizações rápidas. Ele pode fazer isso em microssegundos quando uma música é adicionada ou excluída, em comparação com a recriação de uma lista de reprodução de 1.000 músicas para cada alteração.

Objetos mutáveis permitem que várias partes de um programa acessem e alterem o mesmo objeto. Esse processo permite que trabalhem com um estado compartilhado, os dados que vários componentes leem e escrevem para coordenar suas ações. É útil quando os componentes precisam coordenar ou se comunicar por meio de dados comuns.

Por exemplo, um aplicativo de gerenciamento de projetos usa objetos mutáveis para compartilhar listas de tarefas, calendários e notificações. Quando um membro da equipe atualiza uma tarefa, todos veem a mudança imediatamente.

Os tipos imutáveis normalmente funcionam melhor quando os dados não devem ser alterados após sua criação. Isso é especialmente importante em aplicações com simultaneidade, onde múltiplas partes de um programa acessam os mesmos dados.

Como o estado de um objeto imutável é fixo, ele não será alterado por outro código. Essa funcionalidade torna os programas mais previsíveis e fáceis de entender, pois elimina bugs relacionados a mutações inesperadas.

Por exemplo, os aplicativos bancários frequentemente armazenam registros de transações como objetos imutáveis, para que nenhum código possa alterá-los posteriormente. É crítico para ajudar a garantir a conformidade regulatória e manter trilhas de auditoria que comprovem que as transações não foram adulteradas.

Objetos imutáveis geralmente são thread-safe porque seu estado não pode ser alterado após a criação. Vários threads podem lê-los com segurança simultaneamente sem conflitos, embora os desenvolvedores ainda precisem gerenciar as referências cuidadosamente em sistemas simultâneos. Isso os torna ideais para programas multi-threaded, onde múltiplos threads devem acessar os mesmos dados sem causar conflitos.

Por exemplo, um aplicativo meteorológico pode executar threads simultâneos para condições atuais, previsões e alertas. Armazenar dados meteorológicos como objetos imutáveis significa que cada thread pode ler as mesmas informações sem o risco de elas mudarem inesperadamente.

Objetos imutáveis podem simplificar a depuração porque os valores não mudam inesperadamente durante a execução do programa. Essa funcionalidade pode reduzir bugs causados por efeitos colaterais e ajudar as equipes a resolver problemas mais rapidamente.

Por exemplo, os videogames frequentemente armazenam a integridade e as estatísticas dos jogadores como objetos imutáveis. Como esses valores não podem ser alterados inesperadamente, os desenvolvedores podem rastrear facilmente os bugs sabendo que o código não relacionado não alterará as estatísticas.

Dois dos estilos de programação mais utilizados (a programação orientada a objetos (OOP) e a programação funcional) abordam a mutações de forma diferente.

A OOP geralmente adota a mutações, construindo programas em torno de objetos que contêm dados e comportamentos. Esses objetos podem mudar ao longo do tempo usando funções especiais chamadas definidoras, que podem atualizar o valor de uma propriedade (por exemplo, alterar a idade de uma pessoa ou o preço de um produto).

Ao contrário, a programação funcional tende à imutabilidade. Cria e retorna novos valores sempre que algo precisa ser alterado, tornando os programas mais previsíveis e fáceis de testar.

As linguagens de programação também variam em sua abordagem para tipos mutáveis versus imutáveis.

Em Python, tanto os tipos mutáveis quanto os imutáveis são comuns.

Um exemplo são as strings — sequências de caracteres como nomes ou frases. As strings em Python são imutáveis. Acrescentar novo texto cria um novo objeto de string. Por outro lado, as listas são mutáveis. Essas coleções ordenadas são iteráveis — você pode adicionar, remover ou modificar itens dentro do objeto da lista.

Em vez de utilizar um compilador (um programa que converte código em linguagem de máquina antes da execução) para verificar o código antes de ser executado, o Python verifica os tipos em tempo de execução. Isso significa que os erros são detectados apenas enquanto o programa está em execução. Erros que envolvem mutações, como tentar modificar uma cadeia de caracteres imutável, acionam um TypeError.

Se o erro não for tratado, ele interrompe o programa imediatamente, impedindo a execução de qualquer código adicional. Esse procedimento permite um desenvolvimento mais rápido, mas requer atenção especial ao manuseio dos tipos.

Entender a mutações em Python ajuda a evitar erros ao compartilhar dados entre funções ou ao trabalhar dentro de um módulo compartilhado. Tutoriais e exemplos de código no GitHub fornecem melhores práticas para usar os tipos internos do Python.

O JavaScript usa tipos mutáveis e imutáveis. Como o Python, as strings também são imutáveis. No entanto, diferentemente do Python, todos os objetos são mutáveis por padrão.

A sintaxe flexível do JavaScript é compatível com estilos funcionais e orientados a objetos, permitindo que os desenvolvedores gerenciem a mutações conforme a necessidde.

Semelhante ao Python, as strings do Java são imutáveis. Depois de criada, o valor de uma string não pode ser alterado. Essa característica pode ser ineficiente para programas que criam ou modificam o texto com frequência.

Para lidar com esse problema, o Java fornece o StringBuilder, uma classe de string mutável que permite que o texto seja modificado diretamente sem criar novos objetos. Ela pode melhorar o desempenho e reduzir o uso de memória, equilibrando a segurança da imutabilidade com os benefícios de desempenho da mutações.

O C++ usa a palavra-chave const para marcar variáveis, funções e até objetos inteiros como somente leitura. Ele pode dar aos desenvolvedores controle refinado sobre a mutação, transformando efetivamente um objeto mutável em imutável, evitando alterações.

Como o Java, as strings do C++ podem ser mutáveis ou imutáveis, dependendo de sua implementação.

O C++ é compatível com estilos de programação orientados a objetos e funcionais. No estilo OOP, os desenvolvedores modificam objetos existentes ao longo do tempo, enquanto a programação funcional cria novos valores em vez de alterar os dados existentes. 

Os princípios de mutações versus imutabilidade vão além da programação para infraestrutura e sistemas. Engenheiros de software modernos aplicam esses mesmos conceitos ao projetar arquiteturas de nuvem e pipelines de implementação.

A infraestrutura mutável refere-se a servidores ou outros recursos de TI que podem ser alterados após a implementação. Por exemplo, você pode fazer login em um servidor e atualizar manualmente o software, alterar configurações ou instalar patches. Embora essa abordagem ofereça flexibilidade, ela pode levar a desvios de configuração, onde os servidores tornam-se "flocos de neve" únicos e as alterações se tornam impossíveis de rastrear ou reproduzir.

Infraestrutura imutável significa que os servidores ou recursos de TI não podem ser alterados após a implementação. Em vez de atualizar os sistemas em execução, as equipes implementam novas instâncias com alterações incorporadas e, em seguida, aposentam as antigas. Essa abordagem reduz o desvio de configuração, simplifica a reversão e ajuda a garantir implementações consistentes.

Os princípios de mutações e imutabilidade também podem se aplicar a outras áreas de projeto de software e sistemas.

Alguns bancos de dados usam logs somente de anexação, o que significa que cada alteração é registrada permanentemente e não pode ser alterada. Outros são mutáveis, permitindo atualizações ou exclusão de dados diretamente, como a edição de um documento.

Determinados sistemas de armazenamento em nuvem podem ser configurados como armazenamento imutável para manter as versões anteriores e bloqueá-las contra alterações. Isso ajuda a proteger os dados de serem alterados ou excluídos acidentalmente. O armazenamento mutável permite que os arquivos sejam editados ou substituídos a qualquer momento.

Muitas ferramentas de controle de versão, como o Git, seguem um modelo imutável, em que cada commit é salvo como um instantâneo separado e imutável. Isso ajuda a garantir um histórico confiável de versões, mesmo quando novas alterações são adicionadas.