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看懂Vue.js 3.0 的优化

Vue.js 从 1.x 到 2.0 版本,最大的升级就是引入了虚拟 DOM 的概念,它为后续做服务端渲染以及跨端框架 Weex 提供了基础。

Vue.js 2.x 发展了很久,现在周边的生态设施都已经非常完善了,而且对于 Vue.js 用户而言,它几乎满足了我们日常开发的所有需求。你可能觉得 Vue.js 2.x 已经足够优秀,但是在 Vue.js 作者的眼中它还不够完美。在迭代 2.x 版本的过程中,小右发现了很多需要解决的痛点,比如源码自身的维护性,数据量大后带来的渲染和更新的性能问题,一些想舍弃但为了兼容一直保留的鸡肋 API 等;另外,小右还希望能给开发人员带来更好的编程体验,比如更好的 TypeScript 支持、更好的逻辑复用实践等,所以他希望能从源码、性能和语法 API 三个大的方面优化框架。

那么接下来,我们就一起来看一下 Vue.js 3.0 具体做了哪些优化

源码优化

首先是源码优化,也就是对于 Vue.js 框架本身开发的优化,它的目的是让代码更易于开发和维护。

源码的优化主要体现在使用 monorepo 和 TypeScript 管理和开发源码,这样做的目标是提升自身代码可维护性。接下来我们就来看一下这两个方面的具体变化。

1. 更好的代码管理方式:monorepo

首先,源码的优化体现在代码管理方式上。Vue.js 2.x 的源码托管在 src 目录,然后依据功能拆分出了 compiler(模板编译的相关代码)、core(与平台无关的通用运行时代码)、platforms(平台专有代码)、server(服务端渲染的相关代码)、sfc(.vue 单文件解析相关代码)、shared(共享工具代码) 等目录:

而到了 Vue.js 3.0 ,整个源码是通过 monorepo 的方式维护的,根据功能将不同的模块拆分到 packages 目录下面不同的子目录中:

可以看出相对于 Vue.js 2.x 的源码组织方式,monorepo 把这些模块拆分到不同的 package 中,每个 package 有各自的 API、类型定义和测试。这样使得模块拆分更细化,职责划分更明确,模块之间的依赖关系也更加明确,开发人员也更容易阅读、理解和更改所有模块源码,提高代码的可维护性。

另外一些 package(比如 reactivity 响应式库)是可以独立于 Vue.js 使用的,这样用户如果只想使用 Vue.js 3.0 的响应式能力,可以单独依赖这个响应式库而不用去依赖整个 Vue.js,减小了引用包的体积大小,而 Vue.js 2 .x 是做不到这一点的。

2. 有类型的 JavaScript:TypeScript

其次,源码的优化还体现在 Vue.js 3.0 自身采用了 TypeScript 开发。Vue.js 1.x 版本的源码是没有用类型语言的,小右用 JavaScript 开发了整个框架,但对于复杂的框架项目开发,使用类型语言非常有利于代码的维护,因为它可以在编码期间帮你做类型检查,避免一些因类型问题导致的错误;也可以利于它去定义接口的类型,利于 IDE 对变量类型的推导。

因此在重构 2.0 的时候,小右选型了 Flow,但是在 Vue.js 3.0 的时候抛弃 Flow 转而采用 TypeScript 重构了整个项目,这里有两方面原因,接下来我们具体说一下。

首先,Flow 是 Facebook 出品的 JavaScript 静态类型检查工具,它可以以非常小的成本对已有的 JavaScript 代码迁入,非常灵活,这也是 Vue.js 2.0 当初选型它时一方面的考量。但是 Flow 对于一些复杂场景类型的检查,支持得并不好。记得在看 Vue.js 2.x 源码的时候,在某行代码的注释中看到了对 Flow 的吐槽,比如在组件更新 props 的地方出现了:

const propOptions: any = vm.$options.props // wtf flow?
复制代码

什么意思呢?其实是由于这里 Flow 并没有正确推导出 vm.$options.props 的类型 ,开发人员不得不强制申明 propsOptions 的类型为 any,显得很不合理;另外他也在社区平台吐槽过 Flow 团队的烂尾。

其次,Vue.js 3.0 抛弃 Flow 后,使用 TypeScript 重构了整个项目。 TypeScript提供了更好的类型检查,能支持复杂的类型推导;由于源码就使用 TypeScript 编写,也省去了单独维护 d.ts 文件的麻烦;就整个 TypeScript 的生态来看,TypeScript 团队也是越做越好,TypeScript 本身保持着一定频率的迭代和更新,支持的 feature 也越来越多。

此外,小右和 TypeScript 团队也一直保持了良好的沟通,我们可以期待 TypeScript 对 Vue.js 的支持会越来越好。

性能优化

性能优化一直是前端老生常谈的问题。那么对于 Vue.js 2.x 已经足够优秀的前端框架,它的性能优化可以从哪些方面进行突破呢?

1. 源码体积优化

首先是源码体积优化,我们在平时工作中也经常会尝试优化静态资源的体积,因为 JavaScript 包体积越小,意味着网络传输时间越短,JavaScript 引擎解析包的速度也越快。

那么,Vue.js 3.0 在源码体积的减少方面做了哪些工作呢?

  • 首先,移除一些冷门的 feature(比如 filter、inline-template 等);

  • 其次,引入 tree-shaking 的技术,减少打包体积。

第一点很好理解,所以这里我们来看看 tree-shaking,它的原理很简单,tree-shaking 依赖 ES2015 模块语法的静态结构(即 import 和 export),通过编译阶段的静态分析,找到没有引入的模块并打上标记。

举个例子,一个 math 模块定义了 2 个方法 square(x) 和 cube(x) :

export function square(x) {
  return x * x
}
export function cube(x) {
  return x * x * x
}
复制代码

我们在这个模块外面只引入了 cube 方法:

import { cube } from './math.js'
// do something with cube
复制代码

最终 math 模块会被 webpack 打包生成如下代码:

/* 1 */
/***/ (function(module, __webpack_exports__, __webpack_require__) {
  'use strict';
  /* unused harmony export square */
  /* harmony export (immutable) */ __webpack_exports__['a'] = cube;
  function square(x) {
    return x * x;
  }
  function cube(x) {
    return x * x * x;
  }
});
复制代码

可以看到,未被引入的 square 模块被标记了, 然后压缩阶段会利用例如 uglify-js、terser 等压缩工具真正地删除这些没有用到的代码.

也就是说,利用 tree-shaking 技术,如果你在项目中没有引入 Transition、KeepAlive 等组件,那么它们对应的代码就不会打包,这样也就间接达到了减少项目引入的 Vue.js 包体积的目的。

2. 数据劫持优化

其次是数据劫持优化。Vue.js 区别于 React 的一大特色是它的数据是响应式的,这个特性从 Vue.js 1.x 版本就一直伴随着,这也是 Vue.js 粉喜欢 Vue.js 的原因之一,DOM 是数据的一种映射,数据发生变化后可以自动更新 DOM,用户只需要专注于数据的修改,没有其余的心智负担。

在 Vue.js 内部,想实现这个功能是要付出一定代价的,那就是必须劫持数据的访问和更新。其实这点很好理解,当数据改变后,为了自动更新 DOM,那么就必须劫持数据的更新,也就是说当数据发生改变后能自动执行一些代码去更新 DOM,那么问题来了,Vue.js 怎么知道更新哪一片 DOM 呢?因为在渲染 DOM 的时候访问了数据,我们可以对它进行访问劫持,这样就在内部建立了依赖关系,也就知道数据对应的 DOM 是什么了。以上只是大体的思路,具体实现要比这更复杂,内部还依赖了一个 watcher 的数据结构做依赖管理,参考下图:

Vue.js 1.x 和 Vue.js 2.x 内部都是通过 Object.defineProperty 这个 API 去劫持数据的 getter 和 setter,具体是这样的:

Object.defineProperty(data, 'a',{
  get(){
    // track
  },
  set(){
    // trigger
  }
})
复制代码

但这个 API 有一些缺陷,它必须预先知道要拦截的 key 是什么,所以它并不能检测对象属性的添加和删除。尽管 Vue.js 为了解决这个问题提供了 setset 和 delete 实例方法,但是对于用户来说,还是增加了一定的心智负担。

另外 Object.defineProperty 的方式还有一个问题,举个例子,比如这个嵌套层级比较深的对象:

export default {
  data: {
    a: {
      b: {
        c: {
          d: 1
        }
      }
    }
  }
}
复制代码

由于 Vue.js 无法判断你在运行时到底会访问到哪个属性,所以对于这样一个嵌套层级较深的对象,如果要劫持它内部深层次的对象变化,就需要递归遍历这个对象,执行 Object.defineProperty 把每一层对象数据都变成响应式的。毫无疑问,如果我们定义的响应式数据过于复杂,这就会有相当大的性能负担。

为了解决上述 2 个问题,Vue.js 3.0 使用了 Proxy API 做数据劫持,它的内部是这样的:

observed = new Proxy(data, {
  get() {
    // track
  },
  set() {
    // trigger
  }
})
复制代码

由于它劫持的是整个对象,那么自然对于对象的属性的增加和删除都能检测到。

但要注意的是,Proxy API 并不能监听到内部深层次的对象变化,因此 Vue.js 3.0 的处理方式是在 getter 中去递归响应式,这样的好处是真正访问到的内部对象才会变成响应式,而不是无脑递归,这样无疑也在很大程度上提升了性能,我会在后面分析响应式章节详细介绍它的具体实现原理。

3. 编译优化

最后是编译优化,为了便于理解,我们先来看一张图:

这是 Vue.js 2.x 从 new Vue 开始渲染成 DOM 的流程,上面说过的响应式过程就发生在图中的 init 阶段,另外 template compile to render function 的流程是可以借助 vue-loader 在 webpack 编译阶段离线完成,并非一定要在运行时完成。

所以想优化整个 Vue.js 的运行时,除了数据劫持部分的优化,我们可以在耗时相对较多的 patch 阶段想办法,Vue.js 3.0 也是这么做的,并且它通过在编译阶段优化编译的结果,来实现运行时 patch 过程的优化。

我们知道,通过数据劫持和依赖收集,Vue.js 2.x 的数据更新并触发重新渲染的粒度是组件级的:

虽然 Vue 能保证触发更新的组件最小化,但在单个组件内部依然需要遍历该组件的整个 vnode 树,举个例子,比如我们要更新这个组件:

<template>
  <div id="content">
    <p class="text">static text</p>
    <p class="text">static text</p>
    <p class="text">{{message}}</p>
    <p class="text">static text</p>
    <p class="text">static text</p>
  </div>
</template>
复制代码

整个 diff 过程如图所示:

可以看到,因为这段代码中只有一个动态节点,所以这里有很多 diff 和遍历其实都是不需要的,这就会导致 vnode 的性能跟模版大小正相关,跟动态节点的数量无关,当一些组件的整个模版内只有少量动态节点时,这些遍历都是性能的浪费。

而对于上述例子,理想状态只需要 diff 这个绑定 message 动态节点的 p 标签即可。

Vue.js 3.0 做到了,它通过编译阶段对静态模板的分析,编译生成了 Block tree。Block tree 是一个将模版基于动态节点指令切割的嵌套区块,每个区块内部的节点结构是固定的,而且每个区块只需要以一个 Array 来追踪自身包含的动态节点。借助 Block tree,Vue.js 将 vnode 更新性能由与模版整体大小相关提升为与动态内容的数量相关,这是一个非常大的性能突破,我会在后续的章节详细分析它是如何实现的。

除此之外,Vue.js 3.0 在编译阶段还包含了对 Slot 的编译优化、事件侦听函数的缓存优化,并且在运行时重写了 diff 算法,这些性能优化的内容我在后续特定的章节与你分享。

语法 API 优化:Composition API

除了源码和性能方面,Vue.js 3.0 还在语法方面进行了优化,主要是提供了 Composition API,那么我们一起来看一下它为我们提供了什么帮助。

1. 优化逻辑组织

首先,是优化逻辑组织。

在 Vue.js 1.x 和 2.x 版本中,编写组件本质就是在编写一个“包含了描述组件选项的对象”,我们把它称为 Options API,它的好处是在于写法非常符合直觉思维,对于新手来说这样很容易理解,这也是很多人喜欢 Vue.js 的原因之一。

Options API 的设计是按照 methods、computed、data、props 这些不同的选项分类,当组件小的时候,这种分类方式一目了然;但是在大型组件中,一个组件可能有多个逻辑关注点,当使用 Options API 的时候,每一个关注点都有自己的 Options,如果需要修改一个逻辑点关注点,就需要在单个文件中不断上下切换和寻找。

举一个官方例子 Vue CLI UI file explorer,它是 vue-cli GUI 应用程序中的一个复杂的文件浏览器组件。这个组件需要处理许多不同的逻辑关注点:

  • 跟踪当前文件夹状态并显示其内容
  • 处理文件夹导航(比如打开、关闭、刷新等)
  • 处理新文件夹的创建
  • 切换显示收藏夹
  • 切换显示隐藏文件夹
  • 处理当前工作目录的更改

如果我们按照逻辑关注点做颜色编码,就可以看到当使用 Options API 去编写组件时,这些逻辑关注点是非常分散的:

Vue.js 3.0 提供了一种新的 API:Composition API,它有一个很好的机制去解决这样的问题,就是将某个逻辑关注点相关的代码全都放在一个函数里,这样当需要修改一个功能时,就不再需要在文件中跳来跳去。

通过下图,我们可以很直观地感受到 Composition API 在逻辑组织方面的优势:

2. 优化逻辑复用

其次,是优化逻辑复用。

当我们开发项目变得复杂的时候,免不了需要抽象出一些复用的逻辑。在 Vue.js 2.x 中,我们通常会用 mixins 去复用逻辑,举一个鼠标位置侦听的例子,我们会编写如下函数 mousePositionMixin:

const mousePositionMixin = {
  data() {
    return {
      x: 0,
      y: 0
    }
  },
  mounted() {
    window.addEventListener('mousemove', this.update)
  },
  destroyed() {
    window.removeEventListener('mousemove', this.update)
  },
  methods: {
    update(e) {
      this.x = e.pageX
      this.y = e.pageY
    }
  }
}
export default mousePositionMixin
复制代码

然后在组件中使用:

<template>
  <div>
    Mouse position: x {{ x }} / y {{ y }}
  </div>
</template>
<script>
import mousePositionMixin from './mouse'
export default {
  mixins: [mousePositionMixin]
}
</script>
复制代码

使用单个 mixin 似乎问题不大,但是当我们一个组件混入大量不同的 mixins 的时候,会存在两个非常明显的问题:命名冲突和数据来源不清晰。

首先每个 mixin 都可以定义自己的 props、data,它们之间是无感的,所以很容易定义相同的变量,导致命名冲突。另外对组件而言,如果模板中使用不在当前组件中定义的变量,那么就会不太容易知道这些变量在哪里定义的,这就是数据来源不清晰。但是Vue.js 3.0 设计的 Composition API,就很好地帮助我们解决了 mixins 的这两个问题。

我们来看一下在 Vue.js 3.0 中如何书写这个示例:

import { ref, onMounted, onUnmounted } from 'vue'
export default function useMousePosition() {
  const x = ref(0)
  const y = ref(0)
  const update = e => {
    x.value = e.pageX
    y.value = e.pageY
  }
  onMounted(() => {
    window.addEventListener('mousemove', update)
  })
  onUnmounted(() => {
    window.removeEventListener('mousemove', update)
  })
  return { x, y }
}
复制代码

这里我们约定 useMousePosition 这个函数为 hook 函数,然后在组件中使用:

<template>
  <div>
    Mouse position: x {{ x }} / y {{ y }}
  </div>
</template>
<script>
  import useMousePosition from './mouse'
  export default {
    setup() {
      const { x, y } = useMousePosition()
      return { x, y }
    }
  }
</script>
复制代码

可以看到,整个数据来源清晰了,即使去编写更多的 hook 函数,也不会出现命名冲突的问题。

Composition API 除了在逻辑复用方面有优势,也会有更好的类型支持,因为它们都是一些函数,在调用函数时,自然所有的类型就被推导出来了,不像 Options API 所有的东西使用 this。另外,Composition API 对 tree-shaking 友好,代码也更容易压缩。

虽然 Composition API 有诸多优势,它也不是一点缺点都没有,关于它的具体用法和设计原理,我们会在后续的章节详细说明。这里还需要说明的是,Composition API 属于 API 的增强,它并不是 Vue.js 3.0 组件开发的范式,如果你的组件足够简单,你还是可以使用 Options API。

引入 RFC:使每个版本改动可控

作为一个流行开源框架的作者,小右可能每天都会收到各种各样的 feature request。但并不是社区一有新功能的需求,框架就会立马支持,因为随着 Vue.js 的用户越来越多,小右会更加重视稳定性,会仔细考虑所做的每一个可能对最终用户影响的更改,以及有意识去防止新 API 对框架本身实现带来的复杂性的提升。

因此在 Vue.js 2.x 版本开发到后期的阶段 ,小右就启用了 RFC ,它的全称是 Request For Comments,旨在为新功能进入框架提供一个一致且受控的路径。当社区有一些新需求的想法时,它可以提交一个 RFC,然后由社区和 Vue.js 的核心团队一起讨论,如果这个 RFC 最终被通过了,那么它才会被实现。比如 2.6 版本对于 slot 新 API 的改动,就是这条 RFC 里。

到了 Vue.js 3.0 ,小右在实现代码前就大规模启用 RFC,来确保他的改动和设计都是经过讨论并确认的,这样可以避免走弯路。Vue.js 3.0 版本有很多重大的改动,每一条改动都会有对应的 RFC,通过阅读这些 RFC,你可以了解每一个 feature 采用或被废弃掉的前因后果。

Vue.js 3.0 目前已被实现并合并的 RFC 都在这里,通过阅读它们,你也可以大致了解 Vue.js 3.0 的一些变化,以及为什么会产生这些变化,帮助你了解它的前因后果。

过渡期

通常框架的 major 版本从升级到大规模投入使用,都需要经历相当长的一段过渡期。不过, Vue.js 1.x 到 Vue.js 2.0 的升级过渡期不长,主要是因为那个时候 Vue.js 的用户还不多,生态也不完善,很多用户都是直接上手的 2.0 版本,没有旧项目的历史包袱。

而 Vue.js 2.x 的发展历经了 3 年多的时间,用户众多,而且周边生态也已经非常完善了。通常 major 版本的升级会有很多 breaking change,这就意味着想从 2.x 升级到 3.0 的项目需要改代码,而且不仅仅项目的代码要修改,所依赖的周边生态也需要升级。这其实是一个相当大的工作量,也需要承担一定的风险,所以如果你的项目非常庞大且已经相对稳定,没有什么特别的痛点,那么升级要慎重。

Vue.js 3.0 使用 ES2015 的语法开发,有些 API 如 Proxy 是没有 polyfill 的,这就意味着官方需要单独出一个 IE11 compat 版本来支持 IE11。如果你的项目需要兼容 IE11,你就不得不小心使用某些 API,这也就带来了一些额外的心智负担。

因此可能在 Vue.js 3.0 出来的相当长的一段时间,复杂的大项目都不会考虑去升级,而一些小的、对浏览器兼容要求不高的新项目可以考虑尝鲜了。

官方会继续维护 Vue.js 2.x 版本 18 个月,如果你的有些项目一辈子都不打算升级 Vue.js 3.0,那么你应该去认真学习 Vue.js 2.x 的源码,在官方不再维护的时候遇到问题你可以自己去修改它的源码来解决。

不过,虽然 Vue.js 3.0 距离大规模应用还有相当长一段时间,但是越早开始学习你就越能在未来掌握主动权。这段时间里,你可以关注它的发展,去学习它的设计思想,也可以去为它的生态建设贡献代码,从而提升自己的技术能力。另外也可以尝试在一些小项目中应用 Vue.js 3.0,不仅可以享受 Vue.js 3.0 带来的性能方面的优势以及 Composition API 在逻辑复用方面便利,也为了将来某一天全面升级 Vue.js 3.0 做技术储备。

总结

主要讲解了 Vue.js 3.0 升级做了几个方面的优化,以及为什么会需要这些优化。希望学习完后我们也可以像vue 的作者一样去审视自己的工作,有哪些痛点,找到可以改进和努力的方向并实施,只有这样才能够不断提升自己的能力,工作上也会有不错的产出。

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