【Vue2.x源码系列08】Diff算法原理

柏成
1,287 阅读10分钟

什么是虚拟DOM

DOM是很慢的，其元素非常庞大，当我们频繁的去做 DOM更新，会产生一定的性能问题，我们可以直观感受一下 div元素包含的海量属性

真实DOM.png

在Javascript对象中，虚拟DOM 表现为一个 Object对象（以VNode 节点作为基础的树）。并且最少包含标签名tag、属性attrs和子元素对象children三个属性，不同框架对这三个属性的名命可能会有差别。

<ul style="color: #de5e60; border: 1px solid #de5e60">
  <li key="a">a</li>
  <li key="b">b</li>
  <li key="c">c</li>
</ul>

真实节点对应的虚拟DOM：

const VDOM = {
  tag: 'ul',
  data: {
    style: { color: '#de5e60', border: '1px solid #de5e60' },
  },
  children: [
    {
      tag: 'li',
      key: 'a',
      data: {},
      children: [{ text: 'a' }],
    },
    {
      tag: 'li',
      key: 'b',
      data: {},
      children: [{ text: 'b'}],
    },
    {
      tag: 'li',
      key: 'c',
      data: {},
      children:  [{ text: 'c'}],
    },
  ],
}

我们常说虚拟DOM可以提升效率。这句话是不严谨的❌

通过虚拟DOM改变真正的 DOM并不比直接操作 DOM效率更高。恰恰相反，我们仍需要调用DOM API去操作 DOM，并且虚拟DOM还会额外占用内存！

diff-虚拟DOM效率高？.png

but！！！我们可以通过 虚拟DOM + diff算法，找到需要更新的最小单位，最大限度地减少DOM操作，从而提升性能。

diff-虚拟DOM+Diff算法效率高！.png

什么是Diff

Dom 是多叉树结构，完整对比两棵树的差异，时间复杂度是O(n³)，这个复杂度会导致比对性能很差！

为了优化，Diff 算法约定只做同层级节点比对，而不是跨层级节点比对，即深度优先遍历算法，其复杂度为O(n)

diff-同层级比对.png

Diff原理

当数据修改后会触发setter劫持操作，我们在setter中执行dep.notity()，通知所有的订阅者watcher重新渲染。

订阅者watcher这时会在回调内部，通过vm._render()获取最新的虚拟DOM；然后通过patch方法比对新旧虚拟DOM，给真实元素打补丁，更新视图

diff-diff流程.png

createElm

利用vnode创建真实元素，有一个巧妙的地方是，我们把真实元素挂载到了vnode上，便于我们后续通过虚拟节点去操作对应的真实元素

export function createElm(vnode) {
  let { tag, data, children, text } = vnode
  // 标签
  if (typeof tag === 'string') {
    // 将真实节点挂载到虚拟节点上
    vnode.el = document.createElement(tag) 
    patchProps(vnode.el, {}, data)
    children.forEach(child => {
      vnode.el.appendChild(createElm(child))
    })
  } else {
    // 文本
    vnode.el = document.createTextNode(text)
  }
  return vnode.el
}

sameVnode

判断是否是相同节点，节点的tag和节点的key都相同

export function isSameVnode(vnode1, vnode2) {
  return vnode1.tag === vnode2.tag && vnode1.key === vnode2.key
}

patch

patch方法有两大作用，一个是初始化元素 ，另一个是更新元素

export function patch(oldVNode, vnode) {
  const isRealElement = oldVNode.nodeType
  // 初渲染元素
  if (isRealElement) {
    const elm = oldVNode // 获取真实元素
    const parentElm = elm.parentNode // 拿到父元素
    let newElm = createElm(vnode) // 根据vnode创建元素

    parentElm.insertBefore(newElm, elm.nextSibling) // 插入刚刚创建的元素
    parentElm.removeChild(elm) // 删除旧节点
    return newElm
  } else {
    // 更新元素
    return patchVnode(oldVNode, vnode)
  }
}

patchVnode

比对新旧虚拟节点打补丁，diff比对规则如下：

  1. 新旧节点不相同（判断节点的tag和节点的key），直接用新节点替换旧节点，无需比对
  2. 新旧节点相同，且都是文本节点，更新文本内容即可
  3. 新旧节点是同一个节点，比较两个节点的属性是否有差异，复用旧的节点，将差异的属性更新
  4. 节点比较完毕后，需要比较两个节点的儿子
    1. 新旧节点都有儿子，调用updateChildren()，这里是diff算法核心逻辑！后面会详细讲解
    2. 新节点有儿子，旧节点没有儿子，将新的子节点挂载到oldVNode.el上
    3. 旧节点有儿子，新节点没有儿子，删除oldVNode.el的所有子节点
function patchVnode(oldVNode, vnode) {
  // 1. 新旧节点不相同（判断节点的tag和节点的key），直接用新节点替换旧节点，无需比对
  if (!isSameVnode(oldVNode, vnode)) {
    let el = createElm(vnode)
    oldVNode.el.parentNode.replaceChild(el, oldVNode.el)
    return el
  }
  let el = (vnode.el = oldVNode.el)

  // 2. 新旧节点相同，且是文本 (判断节点的tag和节点的key)，比较文本内容
  if (!oldVNode.tag) {
    if (oldVNode.text !== vnode.text) {
      el.textContent = vnode.text // 用新的文本覆盖掉旧的
    }
  }

  // 3. 新旧节点相同，且是标签 (判断节点的tag和节点的key)
  // 3.1 比较标签属性
  patchProps(el, oldVNode.data, vnode.data)

  let oldChildren = oldVNode.children || []
  let newChildren = vnode.children || []
  // 4 比较两个节点的儿子
  // 4.1 新旧节点都有儿子
  if (oldChildren.length > 0 && newChildren.length > 0) {
    // diff算法核心！！！
    updateChildren(el, oldChildren, newChildren)
  }
  // 4.2 新节点有儿子，旧节点没有儿子，挂载
  else if (newChildren.length > 0) {
    mountChildren(el, newChildren)
  }
  // 4.3 旧节点有儿子，新节点没有儿子，删除
  else if (oldChildren.length > 0) {
    el.innerHTML = ''
  }
}

updateChildren（Diff核心算法）

这个方法是diff比对的核心！

vue2中采用了头尾双指针的方式，通过头头、尾尾、头尾、尾头、乱序五种比对方式，进行新旧虚拟节点的依次比对

在比对过程中，我们需要四个指针，分别指向新旧列表的头部和尾部。为了方便我们理解，我使用了不同颜色和方向的箭头加以区分，图例如下：

diff-图例.png

双端比对

头头比对

旧孩子的头 比对 新孩子的头

如果是相同节点，则调用patchVnode打补丁并递归比较子节点；然后将 新旧列表的头指针 都向后移动

终止条件：双方有一方头指针大于尾指针，则停止循环

if (isSameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
  patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode) 
  oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]
  newStartVnode = newChildren[++newStartIndex]
}

diff-头头比对.png

尾尾比对

旧孩子的尾 和 新孩子的尾比较

如果是相同节点，则调用patchVnode打补丁并递归比较子节点；然后将 新旧列表的尾指针 都向前移动

终止条件：双方有一方头指针大于尾指针，则停止循环

else if (isSameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
  patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode) 
  oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]
  newEndVnode = newChildren[--newEndIndex]
}

diff-尾尾比对.png

头尾比对

旧孩子的头 和 新孩子的尾比较

如果是相同节点，则调用patchVnode打补丁并递归比较子节点；然后将 oldStartVnode 移动到 oldEndVnode 的后面（把 旧列表头指针指向的节点 移动到 旧列表尾指针指向的节点 后面） 最后把 旧列表头指针 向后移动，新列表尾指针 向前移动

终止条件：双方有一方头指针大于尾指针，则停止循环

else if (isSameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) {
  patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode)
  el.insertBefore(oldStartVnode.el, oldEndVnode.el.nextSibling)
  oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]
  newEndVnode = newChildren[--newEndIndex]
}

diff-头尾比对.png

尾头比对

旧孩子的尾 和 新孩子的头比较

如果是相同节点，则调用patchVnode打补丁并递归比较子节点；然后将 oldEndVnode 移动到 oldStartVnode 的前面（把 旧列表尾指针指向的节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面） 最后把 旧列表尾指针 向前移动，新列表头指针 向后移动

终止条件：双方有一方头指针大于尾指针，则停止循环

else if (isSameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) {
  patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode)
  el.insertBefore(oldEndVnode.el, oldStartVnode.el)
  oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]
  newStartVnode = newChildren[++newStartIndex]
}

diff-尾头比对.png

乱序比对

每次比对时，优先进行头头、尾尾、头尾、尾头的比对尝试，如果都没有命中才会进行乱序比较

  1. 我们根据旧的列表创建一个 key -> index 的映射表，拿新的儿子去映射关系里查找。注意：查找时只能找得到key相同的老节点，并没判断tag
  2. 若找的到相同key的老节点并且是相同节点，则复用节点移动到 oldStartVnode（旧列表头指针指向的节点）的前面，然后调用 patchVnode 打补丁递归比较子节点（移动走的老位置要做空标记，表示这个旧节点已经被移动过了，后续比对时可直接跳过此节点）
  3. 否则，创建节点并移动到 oldStartVnode（旧列表头指针指向的节点）的前面
  4. 只需将新列表头指针 向后移动即可
  5. 最后删除老列表中多余的节点，此过程在下一章挂载卸载阶段删除掉

终止条件：双方有一方头指针大于尾指针，则停止循环

----------------- 创建映射关系 -----------------------
function makeIndexByKey(children) {
  let map = {}
  children.forEach((child, index) => {
    map[child.key] = index
  })
  return map
}
// 旧孩子映射表(key-index)，用于乱序比对
let map = makeIndexByKey(oldChildren)

-------------------- 乱序比对 -------------------------
if (!oldStartVnode) {
  oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]
  continue
}
if (!oldEndVnode) {
  oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]
  continue
}

let moveIndex = map[newStartVnode.key]
// 找的到相同key的老节点，并且是相同节点
if (moveIndex !== undefined && isSameVnode(oldChildren[moveIndex], newStartVnode)) {
  let moveVnode = oldChildren[moveIndex] // 复用旧的节点
  el.insertBefore(moveVnode.el, oldStartVnode.el) // 将 moveVnode 移动到 oldStartVnode的前面（把复用节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面）
  oldChildren[moveIndex] = undefined // 表示这个旧节点已经被移动过了
  patchVnode(moveVnode, newStartVnode) // 递归比较子节点
} 

// 找不到相同key的老节点 or 找的到相同key的老节点但tag不相同
else {
  el.insertBefore(createElm(newStartVnode), oldStartVnode.el) // 将 创建的节点 移动到 oldStartVnode的前面（把创建的节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面）
}
newStartVnode = newChildren[++newStartIndex]

diff-乱序比对.png

挂载卸载

终止条件：双方有一方头指针大于尾指针，则停止循环。当循环比对结束后，我们需要将新列表中多余的节点插入到oldVNode.el中，并将老列表中多余的节点删除掉。

我们将其划分为4种场景，可参考头头比对、尾尾比对章节的图辅助理解

  • 同序列尾部挂载：新列表头指针 到 新列表尾指针 的节点需要挂载新增，向后追加
  • 同序列头部挂载：新列表头指针 到 新列表尾指针 的节点需要挂载新增，向前追加
  • 同序列尾部卸载：旧列表头指针 到 旧列表尾指针 的节点需要卸载删除
  • 同序列头部卸载： 和 同序列尾部卸载 逻辑一致

tip：何时向后追加，何时向前追加，我们根据什么去判断的呢？

若 新列表尾指针指向的节点 的下一个节点存在，则向前追加，插入到newChildren[newEndIndex + 1].el的前面；若不存在，则向后追加，插入到oldVNode.el子节点列表的末尾处

// 同序列尾部挂载，向后追加
// a b c d
// a b c d e f
// 同序列头部挂载，向前追加
//     a b c d
// e f a b c d
if (newStartIndex <= newEndIndex) {
  for (let i = newStartIndex; i <= newEndIndex; i++) {
    let childEl = createElm(newChildren[i])
    // 这里可能是向后追加 ，也可能是向前追加
    let anchor = newChildren[newEndIndex + 1] ? newChildren[newEndIndex + 1].el : null 
    el.insertBefore(childEl, anchor) // anchor为null的时候等同于 appendChild
  }
}

// 同序列尾部卸载，删除尾部多余的旧孩子
// a b c d e f
// a b c d
// 同序列头部卸载，删除头部多余的旧孩子
// e f a b c d
//     a b c d
if (oldStartIndex <= oldEndIndex) {
  for (let i = oldStartIndex; i <= oldEndIndex; i++) {
    if (oldChildren[i]) {
      let childEl = oldChildren[i].el
      el.removeChild(childEl)
    }
  }
}

总结

vue2采用了头尾双指针的方法，每次比对时，优先进行头头、尾尾、头尾、尾头的比对尝试，如果都没有命中才会进行乱序比对

当比对命中时（新旧节点是相同的），则调用patchVnode打补丁并递归比较子节点；打完补丁后呢，如果该节点是头指针指向的节点就向后移动指针，是尾指针指向的节点则向前移动指针

终止条件：双方有一方头指针大于尾指针，则停止循环

如果双端比对中的头尾、尾头命中了节点，也需要进行节点移动操作，为什么不直接用乱序比对呢，没理解其优势在哪？

但是双端diff相比于简单diff性能肯定会更好一些，例如：从 ABCD 到 DABC。简单diff需要移动 ABC 三个节点，但是双端diff只需要移动 D 一个节点

关于简单diff的介绍可移步此文章 -# 聊聊 Vue 的双端 diff 算法

tip：vue3中并没有头尾、尾头比对的概念；新增了最长递增子序列算法去优化乱序比对，减少了乱序比对中节点的移动次数

updateChildren 核心代码如下:

function updateChildren(el, oldChildren, newChildren) {
  let oldStartIndex = 0
  let newStartIndex = 0
  let oldEndIndex = oldChildren.length - 1
  let newEndIndex = newChildren.length - 1

  let oldStartVnode = oldChildren[0]
  let newStartVnode = newChildren[0]

  let oldEndVnode = oldChildren[oldEndIndex]
  let newEndVnode = newChildren[newEndIndex]

  function makeIndexByKey(children) {
    let map = {}
    children.forEach((child, index) => {
      map[child.key] = index
    })
    return map
  }
  // 旧孩子映射表(key-index)，用于乱序比对
  let map = makeIndexByKey(oldChildren)

  // 双方有一方头指针大于尾部指针，则停止循环
  while (oldStartIndex <= oldEndIndex && newStartIndex <= newEndIndex) {
    if (!oldStartVnode) {
      oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]
      continue
    }
    if (!oldEndVnode) {
      oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]
      continue
    }

    // 双端比较_1 - 旧孩子的头 比对 新孩子的头；
    // 都从头部开始比对（对应场景：同序列尾部挂载-push、同序列尾部卸载-pop）
    if (isSameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
      patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode) // 如果是相同节点，则打补丁，并递归比较子节点
      oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]
      newStartVnode = newChildren[++newStartIndex]
    }
    // 双端比较_2 - 旧孩子的尾 比对 新孩子的尾；
    // 都从尾部开始比对（对应场景：同序列头部挂载-unshift、同序列头部卸载-shift）
    else if (isSameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
      patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode) // 如果是相同节点，则打补丁，并递归比较子节点
      oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]
      newEndVnode = newChildren[--newEndIndex]
    }
    // 双端比较_3 - 旧孩子的头 比对 新孩子的尾；
    // 旧孩子从头部开始，新孩子从尾部开始（对应场景：指针尽可能向内靠拢；极端场景-reverse）
    else if (isSameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) {
      patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode)
      el.insertBefore(oldStartVnode.el, oldEndVnode.el.nextSibling) // 将 oldStartVnode 移动到 oldEndVnode的后面（把当前节点 移动到 旧列表尾指针指向的节点 后面）
      oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]
      newEndVnode = newChildren[--newEndIndex]
    }
    // 双端比较_4 - 旧孩子的尾 比对 新孩子的头；
    // 旧孩子从尾部开始，新孩子从头部开始（对应场景：指针尽可能向内靠拢；极端场景-reverse）
    else if (isSameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) {
      patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode)
      el.insertBefore(oldEndVnode.el, oldStartVnode.el) // 将 oldEndVnode 移动到 oldStartVnode的前面（把当前节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面）
      oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]
      newStartVnode = newChildren[++newStartIndex]
    }
    // 乱序比对
    // 根据旧的列表做一个映射关系，拿新的节点去找，找到则移动；找不到则添加；最后删除多余的旧节点
    else {
      let moveIndex = map[newStartVnode.key]
      // 找的到相同key的老节点，并且是相同节点
      if (moveIndex !== undefined && isSameVnode(oldChildren[moveIndex], newStartVnode)) {
        let moveVnode = oldChildren[moveIndex] // 复用旧的节点
        el.insertBefore(moveVnode.el, oldStartVnode.el) // 将 moveVnode 移动到 oldStartVnode的前面（把复用节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面）
        oldChildren[moveIndex] = undefined // 表示这个旧节点已经被移动过了
        patchVnode(moveVnode, newStartVnode) // 比对属性和子节点
      } 
      // 找不到相同key的老节点 or 找的到相同key的老节点但tag不相同
      else {
        el.insertBefore(createElm(newStartVnode), oldStartVnode.el) // 将 创建的节点 移动到 oldStartVnode的前面（把创建的节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面）
      }
      newStartVnode = newChildren[++newStartIndex]
    }
  }

  // 同序列尾部挂载，向后追加
  // a b c d
  // a b c d e f
  // 同序列头部挂载，向前追加
  //     a b c d
  // e f a b c d
  if (newStartIndex <= newEndIndex) {
    for (let i = newStartIndex; i <= newEndIndex; i++) {
      let childEl = createElm(newChildren[i])
      // 这里可能是向后追加 ，也可能是向前追加
      let anchor = newChildren[newEndIndex + 1] ? newChildren[newEndIndex + 1].el : null // 获取下一个元素
      // el.appendChild(childEl);
      el.insertBefore(childEl, anchor) // anchor为null的时候等同于 appendChild
    }
  }

  // 同序列尾部卸载，删除尾部多余的旧孩子
  // a b c d e f
  // a b c d
  // 同序列头部卸载，删除头部多余的旧孩子
  // e f a b c d
  //     a b c d
  if (oldStartIndex <= oldEndIndex) {
    for (let i = oldStartIndex; i <= oldEndIndex; i++) {
      if (oldChildren[i]) {
        let childEl = oldChildren[i].el
        el.removeChild(childEl)
      }
    }
  }
}

常见问题

为什么不建议key用索引

我们先看一段代码。其效果是：当点击按钮后，会在数组前面追加一项数据

/** template代码 */
<div id="app">
    <ul class="ul-wrap">
       <li v-for="(item,index) in arr" :key="index">
        {{item.name}} <input type="checkbox">
       </li>
    </ul>
    <button @click="append">追加</button>
</div>

/** js代码 */
let vm = new Vue({
  el: '#app',
  data() {
    return {
      arr: [{ id: 0, name: '柏成0号' }, 
            { id: 1, name: '柏成1号' }, 
            { id: 2, name: '柏成2号' }]
    }
  },
  methods: {
    append() {
      this.arr.unshift({
        id: 7,
        name: '柏成7号'
      });
    }
  }
})

index作为key

使用index作为key时，运行结果如下：

key使用index.gif

我们会发现一个神奇的现象，虽然只unshift了一条数据，但是所有的li标签都更新了。并且新增的柏成7号节点还复用了柏成0号节点的checkbox多选框！！！

其原理就是，我们在进行头头比对时，前三项虽然可以匹配到相同节点（标签名和key都相同），但其内容并非一致，所以进行了打补丁更新操作。然后我们又创建一个key为3的柏成2号节点插入到列表尾部

diff-index作为key.png

id作为key

使用id作为key时，运行结果如下：

key使用id.gif 这次的diff更新就符合了我们的预期效果，它找到需要更新的最小单位，即只会新增key为3的柏成7号节点，最大限度地减少DOM操作

此时我们在进行尾尾比对时，后三项都可以匹配到相同节点（标签名和key都相同），而且会发现无需更新任何内容。然后去创建一个key为7的柏成7号节点插入列表头部，严格来说是插入新列表头指针下一个虚拟节点对应的真实元素newChildren[newEndIndex + 1].el前面

diff-id作为key.png

参考文章

diff 算法深入一下？

聊聊 Vue 的双端 diff 算法

15张图，20分钟吃透Diff算法核心原理，我说的！！！

第三十篇 - diff 算法

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