keep-alive如何保持组件状态

keep-alive的设计初衷

有些业务场景需要根据不同的判断条件，动态地在多个组件之间切换。频繁的组件切换会导致组件反复渲染，如果组件包含有大量的逻辑和dom节点，极易造成性能问题。其次，切换后组件的状态也会完全丢失。keep-alive的设计初衷就是为了保持组件的状态，避免组件的重复渲染。

为什么keep-alive可以直接使用

开发者无需注册和引入，直接可以在模板中使用。 跟开发者使用Vue.component自定义的组件不同，keep-alive无需注册，在模板中直接可以使用，如下所示：

<keep-alive>
  <component :is="view"></component>
</keep-alive>

这是因为keep-alive是vue的内置组件，已经在vue中提前定义。

// core/components/keep-alive.js

export default {
  name: 'keep-alive',
  abstract: true,

  props: {
    include: patternTypes,
    exclude: patternTypes,
    max: [String, Number]
  },

  created () {
    this.cache = Object.create(null)
    this.keys = []
  },

  destroyed () {
    // keep-alive的销毁，将所有缓存的组件清除
    for (const key in this.cache) {
      pruneCacheEntry(this.cache, key, this.keys)
    }
  },

  mounted () {
    // 如果指定了include和exclude属性，需要实时观察当前这两个属性的变化，以及时的更新缓存
    this.$watch('include', val => {
      pruneCache(this, name => matches(val, name))
    })
    this.$watch('exclude', val => {
      pruneCache(this, name => !matches(val, name))
    })
  },

  render () {
    // keepAlive组件本身不会被渲染成dom节点，其render方法的处理逻辑的是将其包裹的组件的vnode返回
    const slot = this.$slots.default
    // 获取第一个组件子节点
    const vnode: VNode = getFirstComponentChild(slot)
    const componentOptions: ?VNodeComponentOptions = vnode && vnode.componentOptions
    if (componentOptions) {
      // check pattern
      const name: ?string = getComponentName(componentOptions)
      const { include, exclude } = this
      if (
        // not included
        (include && (!name || !matches(include, name))) ||
        // excluded
        (exclude && name && matches(exclude, name))
      ) {
        return vnode
      }

      const { cache, keys } = this
      const key: ?string = vnode.key == null
        // same constructor may get registered as different local components
        // so cid alone is not enough (#3269)
        ? componentOptions.Ctor.cid + (componentOptions.tag ? `::${componentOptions.tag}` : '')
        : vnode.key

      // 1、如果缓存中存在该vnode，从缓存中取得该组件的实例（一个组件对应一颗vnode树，同时一个组件对应一个vue子类的实例），不再重新创建
      if (cache[key]) {
        vnode.componentInstance = cache[key].componentInstance
        // make current key freshest
        // 将当前的组件的key作为最新的缓存（更新其在keys数组中的顺序）
        remove(keys, key)
        keys.push(key)
      } else {
        // 2、如果未命中缓存，添加到缓存
        cache[key] = vnode
        keys.push(key)
        // 如果缓存超过限制，淘汰最旧的缓存
        if (this.max && keys.length > parseInt(this.max)) {
          pruneCacheEntry(cache, keys[0], keys, this._vnode)
        }
      }

      // 标记为keepAlive组件
      vnode.data.keepAlive = true
    }
    return vnode || (slot && slot[0])
  }
}

// core/components/index.js
import KeepAlive from './keep-alive'

export default {
  KeepAlive
}

// core/global-api/index.js

// 导入内置组件
import builtInComponents from '../components/index'

/**
 * 为Vue添加全局方法和属性
 * @param {GlobalAPI} Vue 
 */
export function initGlobalAPI (Vue: GlobalAPI) {
  
  // ...省略了无关代码
  
  Vue.options = Object.create(null)
  // 添加内置组件keep-alive
  extend(Vue.options.components, builtInComponents)
}

buildInComponents中包含了keep-alive的定义。在initGlobalAPI方法中，将内置组件添加到了 vue的全局变量中。

extend(A, B)是个简单的对象属性复制方法。将对象B中的属性复制到对象A中。

keep-alive是如何保持组件状态的

为了保持组件状态，keep-alive设计了缓存机制。

我们知道，模板中的每个HTML标签在vue中由相应的vnode节点对象来表示。如果是HTML标签是组件标签，需要为该标签的vnode创建一个组件实例。组件实例负责组件内的HTML模板的编译和渲染。因此相比于普通HTML标签的vnode节点，组件vnode节点会存在componentOptions和 componentInstance 这两个属性中保存组件选项对象和组件实例的引用。

首先，我们从keep-alive组件的实现代码中可以看到在组件的created钩子中设计了缓存机制：

created () {
    this.cache = Object.create(null)
    this.keys = []
}

keep-alive设置了cache和keys两个属性来缓存子组件。其中cache中的每项是一个以所包裹的组件的组件名为key，包裹组件对应的vnoded为值的对象。keys的每一项是其所包裹的组件的组件名。

render 函数是vue实例和vue组件实例中用来创建vnode的方法。我们在实际的应用中，一般是通过template和el来指定模板，然后由vue将模板编译成render函数。如果用户希望能更灵活地控制vnode的创建可以提供自定义的render函数。

render () {
    const slot = this.$slots.default
    // 获取第一个组件子节点
    const vnode: VNode = getFirstComponentChild(slot)
    const componentOptions: ?VNodeComponentOptions = vnode && vnode.componentOptions
    if (componentOptions) {
      // check pattern
      const name: ?string = getComponentName(componentOptions)
      const { include, exclude } = this
      if (
        // not included
        (include && (!name || !matches(include, name))) ||
        // excluded
        (exclude && name && matches(exclude, name))
      ) {
        return vnode
      }

      const { cache, keys } = this
      const key: ?string = vnode.key == null
        // same constructor may get registered as different local components
        // so cid alone is not enough (#3269)
        ? componentOptions.Ctor.cid + (componentOptions.tag ? `::${componentOptions.tag}` : '')
        : vnode.key

      // 1、如果缓存中存在该vnode，从缓存中取得该组件的实例（一个组件对应一颗vnode树，同时一个组件对应一个vue子类的实例），不再重新创建
      if (cache[key]) {
        vnode.componentInstance = cache[key].componentInstance
        // make current key freshest
        // 将当前的组件的key作为最新的缓存（更新其在keys数组中的顺序）
        remove(keys, key)
        keys.push(key)
      } else {
        // 2、如果未命中缓存，添加到缓存
        cache[key] = vnode
        keys.push(key)
        // 如果缓存超过限制，淘汰最旧的缓存
        if (this.max && keys.length > parseInt(this.max)) {
          pruneCacheEntry(cache, keys[0], keys, this._vnode)
        }
      }

      // 标记为keepAlive组件
      vnode.data.keepAlive = true
    }
    return vnode || (slot && slot[0])
  }

keep-alive内部就是单独提供了render函数来自定义了vnode的创建逻辑。首先keep-alive获取到其所包裹的子组件的根vnode，然后去cache中查找该组件是否存在。

如果cache中不存在子组件vnode，则以{子组件名: 子组件vnode}的形式保存到cache对象中。同时将子组件名字保存到keys数组中。同时如果当前缓存的数量已经超过max所设置的最大值，需要淘汰掉最近最少使用的缓存项（LRU）。

如果cache中存在子组件vnode，那么只需要复用缓存的组件vnode的组件实例（componentInstance）。同时需要将该子组件vnode在缓存中顺序调到最前面，这个主要是为了在缓存不足时，正确地淘汰缓存项。

举例说明

最后通过一个例子加深一下理解。

 <div id="app">
    <keep-alive><component :is="view"></component></keep-alive>
    <button @click="view = view =='count'? 'any': 'count'">切换组件</button>
</div>

Vue.component("count", {
    data() {
        return {
            count:0
        };
    },
    template: "<div @click='count+=1'>点了我 {{count}} 次</div>"
});
    
Vue.component("any", {
    template: "<div>any</div>"
});

new Vue({
    el: "#app",
    data: {
      view: "count"
    }
});

由于view默认值是count，因此keep-alive包裹的子组件是count。此时keep-alive的缓存中为空，因此会把组件count的vnode添加到缓存。缓存结果为：

cache = {1::count: {tag: "vue-component-1-count", data:{tag: "component", hook: {…}}}, componentOptions, componentInstance, ...}
keys = ["1::count"]

页面显示结果为：

点击一下组件count，组件的显示内容变成"点了我1次"，然后切换到组件any。与count组件相同，由于在keep-alive的缓存中还未保存any组件的vnode，因此需要将any添加到缓存中。此时缓存结果变成了：

cache = {
    1::count: {tag: "vue-component-1-count", data:{tag: "component", hook: {…}}, componentOptions, componentInstance, ...},
    2::any: {tag: "vue-component-2-any", data:{tag: "component", hook: {…}}, componentOptions, componentInstance, ...},
}
keys = ["1::count", "2::any"]

页面显示结果为：

再次点击切换组件，切回count。此时count组件的vnode在缓存中已经存在，所以直接复用了原来count组件vnode中所保存的组件实例，组件实例中保存了原来的count值，因此组件切换完后，组件的状态也跟着还原了回来。

下图为count组件实例的状态，可以看到count的值得到了保持：

最终页面显示结果为：

从上面的分析可知，如果组件被包裹在keep-alive组件中，组件vnode会缓存到cache中。而组件的状态又会保存在组件实例中（componentInstance），当组件再次切换回来时，keep-alive直接将之前缓存的状态进行还原，也就实现了组件状态的保持。

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