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Vue|响应式是如何实现的

作为前端开发,我们的日常工作就是将数据渲染到页面➕处理用户交互。在 Vue 中,数据变化时页面会重新渲染,比如我们在页面上显示一个数字,旁边有一个点击按钮,每次点击一下按钮,页面上所显示的数字会加一,这要怎么去实现呢?

按照原生 JS 的逻辑想一想,我们应该做三件事:监听点击事件,在事件处理函数中修改数据,然后手动去修改 DOM 重新渲染,这和我们使用 Vue 的最大区别在于多了一步【手动去修改DOM重新渲染】,这一步看起来简单,但我们得考虑几个问题:

  • 需要修改哪个 DOM ?
  • 数据每变化一次就需要去修改一次 DOM 吗?
  • 怎么去保证修改 DOM 的性能?

所以要实现一个响应式系统并不简单🍳,来结合 Vue 源码学习一下 Vue 中优秀的思想叭~

一、一个响应式系统的关键要素

1、如何监听数据变化

显然通过监听所有用户交互事件来获取数据变化是非常繁琐的,且有些数据的变动也不一定是用户触发的,那Vue是怎么监听数据变化的呢?—— Object.defineProperty

Object.defineProperty 方法为什么能监听数据变化?该方法可以直接在一个对象上定义一个新属性,或者修改一个对象的现有属性, 并返回这个对象,先来看一下它的语法:

Object.defineProperty(obj, prop, descriptor)
// obj是传入的对象,prop是要定义或修改的属性,descriptor是属性描述符
复制代码

这里比较核心的是 descriptor,它有很多可选键值。这里我们最关心的是 get 和 set,其中 get 是一个给属性提供的 getter 方法,当我们访问了该属性的时候会触发 getter 方法;set 是一个给属性提供的 setter 方法,当我们对该属性做修改的时候会触发 setter 方法。

简言之,一旦一个数据对象拥有了 gettersetter,我们就可以轻松监听它的变化了,并可将其称之为响应式对象。具体怎么做呢?

function observe(data) {
  if (isObject(data)) {
    Object.keys(data).forEach(key => {
      defineReactive(data, key)
    })
  }
}

function defineReactive(obj, prop) {
  let val = obj[prop]
  let dep = new Dep() // 用来收集依赖
  Object.defineProperty(obj, prop, {
    get() {
      // 访问对象属性了,说明依赖当前对象属性,把依赖收集起来
      dep.depend()
      return val
    }
    set(newVal) {
      if (newVal === val) return
      // 数据被修改了,该通知相关人员更新相应的视图了
      val = newVal
      dep.notify()     
    }
  }) 
  // 深层监听
  if (isObject(val)) {
    observe(val)
  }
  return obj
}
复制代码

这里我们需要一个 Dep 类(dependency)来做依赖收集🎭

PS:Object.defineProperty 只能监听已存在的属性,对于新增的属性就无能为力了,同时无法监听数组的变化(Vue2中通过重写数组原型上的方法解决这一问题),所以在 Vue3 中将其换成了功能更强大的Proxy

2、如何进行依赖收集——实现 Dep 类

基于构造函数实现:

function Dep() {
  // 用deps数组来存储各项依赖
  this.deps = []
}
// Dep.target用来记录正在运行的watcher实例,这是一个全局唯一的 Watcher 
// 这是一个非常巧妙的设计,因为JS是单线程的,在同一时间只能有一个全局的 Watcher 被计算
Dep.target = null

// 在原型上定义depend方法,每个实例都能访问
Dep.prototype.depend = function() {
  if (Dep.target) {
    this.deps.push(Dep.target)
  }
}
// 在原型上定义notify方法,用于通知watcher更新
Dep.prototype.notify = function() {
  this.deps.forEach(watcher => {
    watcher.update()
  })
}
// Vue中会有嵌套的逻辑,比如组件嵌套,所以利用栈来记录嵌套的watcher 
// 栈,先入后出 
const targetStack = [] 
function pushTarget(_target) { 
  if (Dep.target) targetStack.push(Dep.target) 
  Dep.target = _target 
} 
function popTarget() { 
  Dep.target = targetStack.pop() 
}
复制代码

这里主要理解原型上的两个方法:dependnotify,一个用于添加依赖,一个用于通知更新。我们说收集“依赖”,那 this.deps 数组里到底存的是啥东西啊?Vue 设置了 Watcher 的概念用作依赖表示,即 this.deps 里收集的是一个个 Watcher

3、数据变化时如何更新——实现 Watcher 类

Watcher,在Vue中有三种类型,分别用于页面渲染以及computed和watch这两个API,为了区分,将不同用处的 Watcher 分别称为 renderWatchercomputedWatcherwatchWatcher

用 class 实现一下:

class Watcher {
  constructor(expOrFn) {
    // 这里传入参数不是函数时需要解析,parsePath略
    this.getter = typeof expOrFn === 'function' ? expOrFn : parsePath(expOrFn)
    this.get()
  }
  // class中定义函数不需要写function
  get() {
    // 执行到这时,this是当前的watcher实例,也是Dep.target
    pushTarget(this)
    this.value = this.getter()
    popTarget()
  }
  update() {
    this.get()
  }
}
复制代码

到这里,一个简单的响应式系统就成形了,总结来说:Object.defineProperty 让我们能够知道谁访问了数据以及什么时候数据发生变化,Dep 可以记录都有哪些 DOM 和某个数据有关,Watcher 可以在数据变化的时候通知 DOM 去更新。

Watcher 和 Dep 是一个非常经典的观察者设计模式的实现。

二、虚拟 DOM 和 diff

1、虚拟 DOM 是什么?

虚拟 DOM 是用 JS 中的对象来表示真实的DOM,如果有数据变动,先在虚拟 DOM 上改动,最后再去改动真实的DOM,good idea!💡

关于虚拟 DOM 的优势,还是听尤大的:

在我看来 Virtual DOM 真正的价值从来都不是性能,而是它 1) 为函数式的 UI 编程方式打开了大门;2) 可以渲染到 DOM 以外的 backend。

举个例子:

<template>
  <div id="app" class="container">
    <h1>HELLO WORLD!</h1>
  </div>
</template>
复制代码
// 对应的vnode 
{ 
  tag: 'div', 
  props: { id: 'app', class: 'container' }, 
  children: { tag: 'h1', children: 'HELLO WORLD!' } 
}
复制代码

我们可以这样去定义:

function VNode(tag, data, childern, text, elm) { 
  this.tag = tag 
  this.data = data 
  this.childern = childern 
  this.text = text 
  this.elm = elm // 对真实节点的引用 
}
复制代码

2、diff 算法——新旧节点对比

数据变化时,会触发渲染 watcher 的回调,更新视图。Vue 源码中在更新视图时用 patch 方法比较新旧节点的异同。

(1)判断新旧节点是不是相同节点
function sameVNode()
function sameVnode(a, b) { 
  return a.key === b.key && 
  ( a.tag === b.tag && 
    a.isComment === b.isComment && 
    isDef(a.data) === isDef(b.data) && 
    sameInputType(a, b) 
  ) 
 }
复制代码
(2)若新旧节点不同

替换旧节点:创建新节点 --> 删除旧节点

(3)若新旧节点相同
  • 都没有子节点,好说

  • 一个有子节点一个没有,好说,要么删除个子节点要么新增个子节点

  • 都有子节点,这可就有点复杂了,执行updateChildren:

function updateChildren (parentElm, oldCh, newCh, insertedVnodeQueue, removeOnly) {
  let oldStartIdx = 0
  let newStartIdx = 0
  let oldEndIdx = oldCh.length - 1
  let oldStartVnode = oldCh[0]
  let oldEndVnode = oldCh[oldEndIdx]
  let newEndIdx = newCh.length - 1
  let newStartVnode = newCh[0]
  let newEndVnode = newCh[newEndIdx]
  let oldKeyToIdx, idxInOld, vnodeToMove, refElm
  // 以上是新旧Vnode的首尾指针、新旧Vnode的首尾节点

  while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {
    // 如果不满足这个while条件,表示新旧Vnode至少有一个已经遍历了一遍了,就退出循环
    if (isUndef(oldStartVnode)) {
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx] // Vnode has been moved left
    } else if (isUndef(oldEndVnode)) {
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
      // 比较旧的开头和新的开头是否是相同节点
      patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
      // 比较旧的结尾和新的结尾是否是相同节点
      patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue)
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) { // Vnode moved right
      // 比较旧的开头和新的结尾是否是相同节点
      patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue)
      canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, oldStartVnode.elm, nodeOps.nextSibling(oldEndVnode.elm))
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) { // Vnode moved left
      // 比较旧的结尾和新的开头是否是相同节点
      patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
      canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, oldEndVnode.elm, oldStartVnode.elm)
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    } else {
      // 设置key和不设置key的区别:
      // 不设key,newCh和oldCh只会进行头尾两端的相互比较,设key后,除了头尾两端的比较外,还会从用key生成的对象oldKeyToIdx中查找匹配的节点,所以为节点设置key可以更高效的利用dom。
      if (isUndef(oldKeyToIdx)) oldKeyToIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
      idxInOld = isDef(newStartVnode.key)
        ? oldKeyToIdx[newStartVnode.key]
        : findIdxInOld(newStartVnode, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
      // 抽取出oldVnode序列的带有key的节点放在map中,然后再遍历新的vnode序列
      // 判断该vnode的key是否在map中,若在则找到该key对应的oldVnode,如果此oldVnode与遍历到的vnode是sameVnode的话,则复用dom并移动dom节点位置
      if (isUndef(idxInOld)) { // New element
        createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm, false, newCh, newStartIdx)
      } else {
        vnodeToMove = oldCh[idxInOld]
        if (sameVnode(vnodeToMove, newStartVnode)) {
          patchVnode(vnodeToMove, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
          oldCh[idxInOld] = undefined
          canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, vnodeToMove.elm, oldStartVnode.elm)
        } else {
          // same key but different element. treat as new element
          createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm, false, newCh, newStartIdx)
        }
      }
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    }
  }
  if (oldStartIdx > oldEndIdx) {
    refElm = isUndef(newCh[newEndIdx + 1]) ? null : newCh[newEndIdx + 1].elm
    addVnodes(parentElm, refElm, newCh, newStartIdx, newEndIdx, insertedVnodeQueue)
  } else if (newStartIdx > newEndIdx) {
    removeVnodes(parentElm, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
  }
}
复制代码

这里主要的逻辑是:新节点的头和尾与旧节点的头和尾分别比较,看是不是相同节点,如果是就直接patchVnode;否则的话,用一个 Map 存储旧节点的 key,然后遍历新节点的 key 看它们是不是在旧节点中存在,相同 key 那就复用;这里时间复杂度是O(n),空间复杂度也是O(n),用空间换时间~

diff 算法主要是为了减少更新量,找到最小差异部分 DOM ,只更新差异部分。

三、nextTick

所谓 nextTick,即下一个 tick,那 tick 是什么呢?

我们知道 JS 执行是单线程的,它处理异步逻辑是基于事件循环,主要分为以下几步:

  1. 所有同步任务都在主线程上执行,形成一个执行栈(execution context stack);

  2. 主线程之外,还存在一个"任务队列"(task queue)。只要异步任务有了运行结果,就在"任务队列"之中放置一个事件;

  3. 一旦"执行栈"中的所有同步任务执行完毕,系统就会读取"任务队列",看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务,于是结束等待状态,进入执行栈,开始执行;

  4. 主线程不断重复上面的第三步。

主线程的执行过程就是一个 tick,而所有的异步结果都是通过 “任务队列” 来调度。 消息队列中存放的是一个个的任务(task)。 规范中规定 task 分为两大类,分别是 macro task 和 micro task,并且每个 macro task 结束后,都要清空所有的 micro task。

for (macroTask of macroTaskQueue) { 
  // 1. Handle current MACRO-TASK 
  handleMacroTask()
  // 2. Handle all MICRO-TASK 
  for (microTask of microTaskQueue) { 
    handleMicroTask(microTask)
  } 
}
复制代码

在浏览器环境中,常见的 macro task 有 setTimeoutMessageChannelpostMessagesetImmediatesetInterval;常见的 micro task 有 MutationObseverPromise.then

我们知道数据的变化到 DOM 的重新渲染是一个异步过程,发生在下一个 tick。比如我们平时在开发的过程中,从服务端接口去获取数据的时候,数据做了修改,如果我们的某些方法去依赖了数据修改后的 DOM 变化,我们就必须在 nextTick 后执行。比如下面的伪代码:

getData(res).then(() => { 
  this.xxx = res.data 
  this.$nextTick(() => { // 这里我们可以获取变化后的 DOM }) 
})
复制代码

四、总结

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