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深入剖析Vue源码 - 来,跟我一起实现diff算法!

这一节,依然是深入剖析Vue源码系列,上几节内容介绍了Virtual DOM是Vue在渲染机制上做的优化,而渲染的核心在于数据变化时,如何高效的更新节点,这就是diff算法。由于源码中关于diff算法部分流程复杂,直接剖析每个流程不易于理解,所以这一节我们换一个思路,参考源码来手动实现一个简易版的diff算法。

之前讲到Vue在渲染机制的优化上,引入了Virtual DOM的概念,利用Virtual DOM描述一个真实的DOM,本质上是在JS和真实DOM之间架起了一层缓冲层。当我们通过大量的JS运算,并将最终结果反应到浏览器进行渲染时,Virtual DOM可以将多个改动合并成一个批量的操作,从而减少 dom 重排的次数,进而缩短了生成渲染树和绘制节点所花的时间,达到渲染优化的目的。之前的章节,我们简单的介绍了VueVnode的概念,以及创建Vnode渲染Vnode再到真实DOM的过程。如果有忘记流程的,可以参考前面的章节分析。

**从render函数到创建虚拟DOM,再到渲染真实节点,这一过程是完整的,也是容易理解的。然而引入虚拟DOM的核心不在这里,而在于当数据发生变化时,如何最优化数据变动到视图更新的过程。这一个过程才是Vnode更新视图的核心,也就是常说的diff算法。**下面跟着我来实现一个简易版的diff算法

8.1 创建基础类

代码编写过程会遇到很多基本类型的判断,第一步需要先将这些方法封装。

class Util {
  constructor() {}
  // 检测基础类型
  _isPrimitive(value) {
    return (typeof value === 'string' || typeof value === 'number' || typeof value === 'symbol' || typeof value === 'boolean')
  }
  // 判断值不为空
  _isDef(v) {
    return v !== undefined && v !== null
  }
}
// 工具类的使用
const util = new Util()
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8.2 创建Vnode

Vnode这个类在之前章节已经分析过源码,本质上是用一个对象去描述一个真实的DOM元素,简易版关注点在于元素的tag标签,元素的属性集合data,元素的子节点children,text为元素的文本节点,简单的描述类如下:

class VNode {
  constructor(tag, data, children) {
    this.tag = tag;
    this.data = data;
    this.children = children;
    this.elm = ''
    // text属性用于标志Vnode节点没有其他子节点,只有纯文本
    this.text = util._isPrimitive(this.children) ? this.children : ''
  }
}
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8.3 模拟渲染过程

接下来需要创建另一个类模拟将render函数转换为Vnode,并将Vnode渲染为真实DOM的过程,我们将这个类定义为Vn,Vn具有两个基本的方法createVnode, createElement, 分别实现创建虚拟Vnode,和创建真实DOM的过程。

8.3.1 createVnode

createVnode模拟Vuerender函数的实现思路,目的是将数据转换为虚拟的Vnode,先看具体的使用和定义。

// index.html

<script src="diff.js">
<script>

// 创建Vnode

let createVnode = function() {
  let _c = vn.createVnode;
  return _c('div', { attrs: { id: 'test' } }, arr.map(a => _c(a.tag, {}, a.text)))
}

// 元素内容结构
let arr = 
  [{
    tag: 'i',
    text: 2
  }, {
    tag: 'span',
    text: 3
  }, {
    tag: 'strong',
    text: 4
  }]
</script>



// diff.js
(function(global) {
  class Vn {
    constructor() {}
    // 创建虚拟Vnode
    createVnode(tag, data, children) {
      return new VNode(tag, data, children)
    }
  }
  global.vn = new Vn()
}(this))
复制代码

这是一个完整的Vnode对象,我们已经可以用这个对象来简单的描述一个DOM节点,而createElement就是将这个对象对应到真实节点的过程。最终我们希望的结果是这样的。

Vnode对象

渲染结果

8.3.2 createElement

渲染真实DOM的过程就是遍历Vnode对象,递归创建真实节点的过程,这个不是本文的重点,所以我们可以粗糙的实现。

class Vn {
  createElement(vnode, options) {
      let el = options.el;
      if(!el || !document.querySelector(el)) return console.error('无法找到根节点')
      let _createElement = vnode => {
        const { tag, data, children } = vnode;
        const ele = document.createElement(tag);
        // 添加属性
        this.setAttr(ele, data);
        // 简单的文本节点,只要创建文本节点即可
        if (util._isPrimitive(children)) {
          const testEle = document.createTextNode(children);
          ele.appendChild(testEle)
        } else {
        // 复杂的子节点需要遍历子节点递归创建节点。
          children.map(c => ele.appendChild(_createElement(c)))
        }
        return ele
      }
      document.querySelector(el).appendChild(_createElement(vnode))
    }
}
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8.3.3 setAttr

setAttr是为节点设置属性的方法,利用DOM原生的setAttribute为每个节点设置属性值。

class Vn {
  setAttr(el, data) {
    if (!el) return
    const attrs = data.attrs;
    if (!attrs) return;
    Object.keys(attrs).forEach(a => {
      el.setAttribute(a, attrs[a]);
    })
  }
}
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至此一个简单的 **数据 -> Virtual DOM => 真实DOM**的模型搭建成功,这也是数据变化、比较、更新的基础。

8.4 diff算法实现

更新组件的过程首先是响应式数据发生了变化,数据频繁的修改如果直接渲染到真实DOM上会引起整个DOM树的重绘和重排,频繁的重绘和重排是极其消耗性能的。如何优化这一渲染过程,Vue源码中给出了两个具体的思路,其中一个是在介绍响应式系统时提到的将多次修改推到一个队列中,在下一个tick去执行视图更新,另一个就是接下来要着重介绍的diff算法,将需要修改的数据进行比较,并只渲染必要的DOM

数据的改变最终会导致节点的改变,所以diff算法的核心在于在尽可能小变动的前提下找到需要更新的节点,直接调用原生相关DOM方法修改视图。不管是真实DOM还是前面创建的Virtual DOM,都可以理解为一颗DOM树,算法比较节点不同时,只会进行同层节点的比较,不会跨层进行比较,这也大大减少了算法复杂度。

8.4.1 diffVnode

在之前的基础上,我们实现一个思路,1秒之后数据发生改变。

// index.html
setTimeout(function() {
  arr = [{
    tag: 'span',
    text: 1
  },{
    tag: 'strong',
    text: 2
  },{
    tag: 'i',
    text: 3
  },{
    tag: 'i',
    text: 4
  }]
  // newVnode 表示改变后新的Vnode树
  const newVnode = createVnode();
  // diffVnode会比较新旧Vnode树,并完成视图更新
  vn.diffVnode(newVnode, preVnode);
})
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diffVnode的逻辑,会对比新旧节点的不同,并完成视图渲染更新

class Vn {
  ···
  diffVnode(nVnode, oVnode) {
    if (!this._sameVnode(nVnode, oVnode)) {
      // 直接更新根节点及所有子节点
      return ***
    }
    this.generateElm(vonde);
    this.patchVnode(nVnode, oVnode);
  }
}
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8.4.2 _sameVnode

新旧节点的对比是算法的第一步,如果新旧节点的根节点不是同一个节点,则直接替换节点。这遵从上面提到的原则,只进行同层节点的比较,节点不一致,直接用新节点及其子节点替换旧节点。为了理解方便,我们假定节点相同的判断是tag标签是否一致(实际源码要复杂)。

class Vn {
  _sameVnode(n, o) {
    return n.tag === o.tag;
  }
}
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8.4.3 generateElm

generateElm的作用是跟踪每个节点实际的真实节点,方便在对比虚拟节点后实时更新真实DOM节点。虽然Vue源码中做法不同,但是这不是分析diff的重点。

class Vn {
  generateElm(vnode) {
    const traverseTree = (v, parentEl) => {
      let children = v.children;
      if(Array.isArray(children)) {
        children.forEach((c, i) => {
          c.elm = parentEl.childNodes[i];
          traverseTree(c, c.elm)
        })
      }
    }
    traverseTree(vnode, this.el);
  }
}
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执行generateElm方法后,我们可以在旧节点的Vnode中跟踪到每个Virtual DOM的真实节点信息。

8.4.4 patchVnode

patchVnode是新旧Vnode对比的核心方法,对比的逻辑如下。

  1. 节点相同,且节点除了拥有文本节点外没有其他子节点。这种情况下直接替换文本内容。
  2. 新节点没有子节点,旧节点有子节点,则删除旧节点所有子节点。
  3. 旧节点没有子节点,新节点有子节点,则用新的所有子节点去更新旧节点。
  4. 新旧都存在子节点。则对比子节点内容做操作。

代码逻辑如下:

class Vn {
  patchVnode(nVnode, oVnode) {
    
    if(nVnode.text && nVnode.text !== oVnode) {
      // 当前真实dom元素
      let ele = oVnode.elm
      // 子节点为文本节点
      ele.textContent = nVnode.text;
    } else {
      const oldCh = oVnode.children;
      const newCh = nVnode.children;
      // 新旧节点都存在。对比子节点
      if (util._isDef(oldCh) && util._isDef(newCh)) {
        this.updateChildren(ele, newCh, oldCh)
      } else if (util._isDef(oldCh)) {
        // 新节点没有子节点
      } else {
        // 老节点没有子节点
      }
    }
  }
}
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上述例子在patchVnode过程中,新旧子节点都存在,所以会走updateChildren分支。

8.4.5 updateChildren

子节点的对比,我们通过文字和画图的形式分析,通过图解的形式可以很清晰看到diff算法的巧妙之处。

大致逻辑是:

  1. 旧节点的起始位置为oldStartIndex,截至位置为oldEndIndex,新节点的起始位置为newStartIndex,截至位置为newEndIndex
  2. 新旧children的起始位置的元素两两对比,顺序是newStartVnode, oldStartVnode; newEndVnode, oldEndVnode;newEndVnode, oldStartVnode;newStartIndex, oldEndIndex
  3. newStartVnode, oldStartVnode节点相同,执行一次patchVnode过程,也就是递归对比相应子节点,并替换节点的过程。oldStartIndex,newStartIndex都像右移动一位。
  4. newEndVnode, oldEndVnode节点相同,执行一次patchVnode过程,递归对比相应子节点,并替换节点。oldEndIndex, newEndIndex都像左移动一位。
  5. newEndVnode, oldStartVnode节点相同,执行一次patchVnode过程,并将旧的oldStartVnode移动到尾部,oldStartIndex右移一味,newEndIndex左移一位。
  6. newStartIndex, oldEndIndex节点相同,执行一次patchVnode过程,并将旧的oldEndVnode移动到头部,oldEndIndex左移一味,newStartIndex右移一位。
  7. 四种组合都不相同,则会搜索旧节点所有子节点,找到将这个旧节点和newStartVnode执行patchVnode过程。
  8. 不断对比的过程使得oldStartIndex不断逼近oldEndIndexnewStartIndex不断逼近newEndIndex。当oldEndIndex <= oldStartIndex说明旧节点已经遍历完了,此时只要批量增加新节点即可。当newEndIndex <= newStartIndex说明旧节点还有剩下,此时只要批量删除旧节点即可。

结合前面的例子:

第一步:

第二步:

第三步:

第三步:

第四步:

根据这些步骤,代码实现如下:

class Vn {
  updateChildren(el, newCh, oldCh) {
    // 新children开始标志
    let newStartIndex = 0;
    // 旧children开始标志
    let oldStartIndex = 0;
    // 新children结束标志
    let newEndIndex = newCh.length - 1;
    // 旧children结束标志
    let oldEndIndex = oldCh.length - 1;
    let oldKeyToId;
    let idxInOld;
    let newStartVnode = newCh[newStartIndex];
    let oldStartVnode = oldCh[oldStartIndex];
    let newEndVnode = newCh[newEndIndex];
    let oldEndVnode = oldCh[oldEndIndex];
    // 遍历结束条件
    while (newStartIndex <= newEndIndex && oldStartIndex <= oldEndIndex) {
      // 新children开始节点和旧开始节点相同
      if (this._sameVnode(newStartVnode, oldStartVnode)) {
        this.patchVnode(newCh[newStartIndex], oldCh[oldStartIndex]);
        newStartVnode = newCh[++newStartIndex];
        oldStartVnode = oldCh[++oldStartIndex]
      } else if (this._sameVnode(newEndVnode, oldEndVnode)) {
      // 新childre结束节点和旧结束节点相同
        this.patchVnode(newCh[newEndIndex], oldCh[oldEndIndex])
        oldEndVnode = oldCh[--oldEndIndex];
        newEndVnode = newCh[--newEndIndex]
      } else if (this._sameVnode(newEndVnode, oldStartVnode)) {
      // 新childre结束节点和旧开始节点相同
        this.patchVnode(newCh[newEndIndex], oldCh[oldStartIndex])
        // 旧的oldStartVnode移动到尾部
        el.insertBefore(oldCh[oldStartIndex].elm, null);
        oldStartVnode = oldCh[++oldStartIndex];
        newEndVnode = newCh[--newEndIndex];
      } else if (this._sameVnode(newStartVnode, oldEndVnode)) {
        // 新children开始节点和旧结束节点相同
        this.patchVnode(newCh[newStartIndex], oldCh[oldEndIndex]);
        el.insertBefore(oldCh[oldEndIndex].elm, oldCh[oldStartIndex].elm);
        oldEndVnode = oldCh[--oldEndIndex];
        newStartVnode = newCh[++newStartIndex];
      } else {
        // 都不符合的处理,查找新节点中与对比旧节点相同的vnode
        this.findIdxInOld(newStartVnode, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx);
      }
    }
    // 新节点比旧节点多,批量增加节点
    if(oldEndIndex <= oldStartIndex) {
      for (let i = newStartIndex; i <= newEndIndex; i++) {
        // 批量增加节点
        this.createElm(oldCh[oldEndIndex].elm, newCh[i])
      }
    }
  }

  createElm(el, vnode) {
    let tag = vnode.tag;
    const ele = document.createElement(tag);
    this._setAttrs(ele, vnode.data);
    const testEle = document.createTextNode(vnode.children);
    ele.appendChild(testEle)
    el.parentNode.insertBefore(ele, el.nextSibling)
  }

  // 查找匹配值
  findIdxInOld(newStartVnode, oldCh, start, end) {
    for (var i = start; i < end; i++) {
      var c = oldCh[i];
      if (util.isDef(c) && this.sameVnode(newStartVnode, c)) { return i }
    }
  }
}
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8.5 diff算法优化

前面有个分支,当四种比较节点都找不到匹配时,会调用findIdxInOld找到旧节点中和新的比较节点一致的节点。节点搜索在数量级较大时是缓慢的。查看Vue的源码,发现它在这一个环节做了优化,也就是我们经常在编写列表时被要求加入的唯一属性key,有了这个唯一的标志位,我们可以对旧节点建立简单的字典查询,只要有key值便可以方便的搜索到符合要求的旧节点。修改代码:

class Vn {
  updateChildren() {
    ···
    } else {
      // 都不符合的处理,查找新节点中与对比旧节点相同的vnode
      if (!oldKeyToId) oldKeyToId = this.createKeyMap(oldCh, oldStartIndex, oldEndIndex);
      idxInOld = util._isDef(newStartVnode.key) ? oldKeyToId[newStartVnode.key] : this.findIdxInOld(newStartVnode, oldCh, oldStartIndex, oldEndIndex);
      // 后续操作
    }
  }
  // 建立字典
  createKeyMap(oldCh, start, old) {
    const map = {};
    for(let i = start; i < old; i++) {
      if(oldCh.key) map[key] = i;
    }
    return map;
  }
}
复制代码

8.6 问题思考

最后我们思考一个问题,Virtual DOM 的重绘性能真的比单纯的innerHTML要好吗,其实并不是这样的,作者的解释

  • innerHTML: render html string O(template size) + 重新创建所有 DOM 元素 O(DOM size)
  • Virtual DOM: render Virtual DOM + diff O(template size) + 必要的 DOM 更新 O(DOM change)
  • Virtual DOM render + diff 显然比渲染 html 字符串要慢,但是!它依然是纯 js 层面的计算,比起后面的 DOM 操作来说,依然便宜了太多。可以看到,innerHTML 的总计算量不管是 js 计算还是 DOM操作都是和整个界面的大小相关,但Virtual DOM 的计算量里面,只有 js 计算和界面大小相关,DOM 操作是和数据的变动量相关的。
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