一、Vue 3框架设计概览
（一）编程范式
在前端开发领域，主要存在命令式编程和声明式编程两种范式。
- 命令式编程：其核心在于关注做事的过程。例如，使用原生JavaScript代码来操作DOM元素，详细描述了完成任务所需经历的步骤。以下是一个简单的命令式代码示例：
// 1. 获取到指定的 div
const divEle = document.querySelector('#app');
// 2. 为该 div 设置 innerHTML 为 hello world
divEle.innerHTML = 'hello world';
- 声明式编程：更关注结果，不关心完成功能的详细逻辑与步骤。Vue框架就是典型的声明式编程代表，我们在使用Vue时，通过简单的模板语法来声明我们想要的结果，而Vue内部会将这些声明式的代码转换为命令式的操作来实现相应的功能。例如：
<div>{{ msg }}</div>
对于Vue而言，其内部实现是命令式的，但对外提供的是声明式的接口，这使得开发者可以更专注于业务逻辑的实现，而无需关心底层的具体操作。
（二）性能与可维护性的权衡
从性能层面来看，命令式代码直接通过原生的JavaScript进行实现，其性能消耗相对较低，我们可以将其性能比作1。而声明式代码无论内部做了什么，要实现同样的功能，必然需要实现相应的命令式代码，所以其性能消耗一定是1 + N。因此，命令式的性能要优于声明式。然而，声明式代码在可维护性方面具有明显的优势，它的代码结构更加清晰，易于理解和修改。所以，Vue选择了声明式的接口，以提高代码的可维护性。
在前端开发中，常见的实现方式有原生JavaScript、innerHTML和虚拟DOM等。虚拟DOM是用一个普通的JavaScript对象来代表节点，它具有跨平台的优势，如可以应用于微信小程序、uniapp和单元测试等场景。虽然虚拟DOM的性能不是最高的，但它的心智负担（书写难度）最小，从而带来了更高的可维护性。因此，Vue选择了虚拟DOM来进行渲染层的构建。
（三）运行时和编译时
运行时和编译时是框架设计的两种方式，它们可以单独出现，也可以组合使用。
- 运行时：利用render函数直接把虚拟DOM转化为真实DOM元素，整个过程不包含编译的过程，因此无法分析用户提供的内容，要渲染只能传入一个复杂的js对象。
- 编译时：直接把template模板中的内容转化为真实DOM元素，由于存在编译的过程，所以可以分析用户提供的内容。例如，Svelte就是一个纯编译时的库。
- 运行时 + 编译时：Vue采用的就是这种方式，它的过程分为两步。首先，在编译时将template模板转化为render函数；然后，在运行时利用render函数把虚拟DOM转化为真实DOM。这种结合方式可以在编译时分析用户提供的内容，在运行时提供足够的灵活性。
对于DOM渲染而言，可以分为初次渲染（挂载）和更新渲染（打补丁）两个部分。初次渲染是指在初始div的innerHTML为空时，向其中渲染节点的过程。而更新渲染则是在节点内容发生变化时，对DOM进行更新的过程。在更新渲染时，有两种常见的方式：一种是删除原有的所有节点，重新渲染新的节点；另一种是对比旧节点和新节点之间的差异，根据差异删除旧节点并增加新节点。第一种方式会涉及到更多的DOM操作，而第二种方式会涉及到js计算和少量的DOM操作。
二、响应式系统
（一）Vue 2与Vue 3响应式原理对比
在Vue 2中，响应式系统是基于Object.defineProperty()方法来实现的。该方法可以劫持对象属性的getter和setter，从而实现数据变化的监听和响应。以下是一个简单的示例：
function defineReactive(obj, key, val) {
Object.defineProperty(obj, key, {
get() {
console.log(`读取属性: ${key}`);
return val;
},
set(newVal) {
if (newVal !== val) {
val = newVal;
console.log(`修改属性: ${key} —————— 修改后的值为: ${val}`);
}
}
});
}
const data = {
bar: "bar",
foo: "foo"
};
Object.keys(data).forEach(key => {
defineReactive(data, key, data[key]);
});
data.bar;
data.bar = "newBar";
然而，Object.defineProperty()方法存在一些弊端。例如，它无法检测到对象的新增和删除操作，我们想要给对象新增响应式属性，必须使用Vue.$set()方法。而且，它会完全遍历data中的所有属性，性能开销较大。
在Vue 3中，采用了Proxy对象来替代Object.defineProperty()方法，从而实现了更高效的响应式系统。Proxy可以拦截对象属性的读取、设置、删除等操作，从而在数据变化时自动触发更新。以下是一个简单的示例：
function reactive(obj) {
return new Proxy(obj, {
get(target, key) {
console.log(`读取属性: ${key}`);
return target[key];
},
set(target, key, value) {
if (target[key] !== value) {
target[key] = value;
console.log(`设置属性: ${key} —————— 设置后的值为: ${target[key]}`);
}
return true;
},
deleteProperty(target, key) {
delete target[key];
console.log(`删除属性: ${key} —————— 删除后的值为: ${target}`);
return true;
}
});
}
const data = {
bar: "bar",
foo: "foo"
};
const instance = reactive(data);
instance["name"] = "张三";
从上述示例可以看出，Proxy可以直接检测到对象新增属性的操作，在Vue 3中，我们新增对象属性时再也不用使用Vue.$set()方法了。而且，Proxy是一个懒加载的过程，只有被访问到才会做响应式处理，这大大提高了性能。
（二）Vue 3响应式源码分析
Vue 3的响应式系统源码主要位于packages -> reactivity -> src -> reactive.ts文件中。以下是reactive函数的源码：
export function reactive(target: object) {
// if trying to observe a readonly proxy, return the readonly version.
if (target && (target as Target)[ReactiveFlags.IS_READONLY]) {
return target;
}
return createReactiveObject(
target,
false,
mutableHandlers,
mutableCollectionHandlers
);
}
该函数首先会判断传入的对象是否为只读代理对象，如果是则直接返回该对象。否则，调用createReactiveObject函数来创建一个响应式对象。
mutableHandlers用于处理普通对象（即非集合类型的对象），其源码位于reactivity -> src -> baseHandlers.ts文件中。它包含了get、set、deleteProperty、has和ownKeys等拦截操作。以下是get拦截操作的源码：
function createGetter(isReadonly = false, shallow = false) {
return function get(target: Target, key: string | symbol, receiver: object) {
if (key === ReactiveFlags.IS_REACTIVE) {
return !isReadonly;
} else if (key === ReactiveFlags.IS_READONLY) {
return isReadonly;
} else if (
key === ReactiveFlags.RAW &&
receiver === (isReadonly ? readonlyMap : reactiveMap).get(target)
) {
return target;
}
const targetIsArray = isArray(target);
if (targetIsArray && hasOwn(arrayInstrumentations, key)) {
return Reflect.get(arrayInstrumentations, key, receiver);
}
const res = Reflect.get(target, key, receiver);
const keyIsSymbol = isSymbol(key);
if (
keyIsSymbol ? builtInSymbols.has(key as symbol)
: key === `__proto__` || key === `__v_isRef`
) {
return res;
}
if (!isReadonly) {
track(target, TrackOpTypes.GET, key);
}
if (shallow) {
return res;
}
if (isRef(res)) {
// ref unwrapping - does not apply for Array + integer key.
const shouldUnwrap = !targetIsArray || !isIntegerKey(key);
return shouldUnwrap ? res.value : res;
}
if (isObject(res)) {
// Convert returned value into a proxy as well. we do the isObject check
// here to avoid invalid value warning. Also need to lazy access readonly
// and reactive here to avoid circular dependency.
return isReadonly ? readonly(res) : reactive(res);
}
return res;
};
}
get拦截操作会首先检查特殊键的处理，如ReactiveFlags.IS_REACTIVE、ReactiveFlags.IS_READONLY和ReactiveFlags.RAW等。然后，会处理数组的特殊情况，对于数组的某些方法会进行特殊处理。接着，会进行依赖收集操作，当读取对象的属性时，会将该属性与对应的副作用函数进行关联，以便在属性值发生变化时能够及时更新相关的视图。最后，如果读取的属性值是一个对象，则会递归地将其转换为响应式对象。
三、渲染器
（一）渲染器的核心功能
渲染器是Vue 3的重要组成部分，它负责将组件渲染为真实的DOM元素。Vue 3提供了两种渲染器实现：浏览器渲染器和服务端渲染器。浏览器渲染器主要使用DOM API进行渲染，而服务端渲染器则使用Node.js的流式渲染。
渲染器的核心在于patch函数，它负责比较新旧虚拟DOM树，并更新真实的DOM元素。在Vue 3中，渲染器采用了多种优化技术来提高渲染性能，如Diff算法、PatchFlag、静态提升等。以下是createRenderer函数的源码：
function createRenderer(options) {
return baseCreateRenderer(options);
}
function baseCreateRenderer(options) {
// ...
function patch(n1, n2, container, anchor = null, ...) {
// ...
if (n1 == null) {
// 创建新节点
} else {
// 更新现有节点
hostPatchProp(el, key, nextValue, ...);
}
// ...
}
// ...
return {
createApp: createAppAPI(render),
render,
// ...
};
}
在patch函数中，会根据新旧虚拟DOM树的差异，只对需要更新的部分进行DOM操作，从而减少了不必要的DOM操作，提高了渲染效率。
（二）Diff算法优化
Vue 3的Diff算法在Vue 2的基础上进行了优化，主要体现在以下几个方面：
shouldUpdateComponent方法：在某些情况下，组件不需要更新，但在Vue 2中，组件依旧会跑一次update。而在Vue 3中，会通过shouldUpdateComponent方法来判断组件是否需要更新，该方法内部会使用patchFlag和props的简单对比等方式来决定是否进行更新。- key的diff优化：在Vue和React的启发式算法中，key可以帮助我们更好地判断是否可以复用节点。在Vue 3中，key的diff更加彻底，通过
patchFlag，如果patchFlag > 0，可以走vip通道进行diff，如果没有，则降级处理，根据具体情况进行full diff、unmount旧节点或者text节点替换等操作。 blockchildren优化：在Vue 2中，虽然有静态节点的概念，但是如果在一个动态节点内部也有不变的节点，这些节点依旧会参与diff过程。而在Vue 3中，会把一个元素内部的变化部分塞到blockchildren中，在节点diff的过程中，如果发现它有blockchildren，则只针对blockchildren进行diff，而不需要进行full diff，大大提高了性能。
四、组件化
（一）组件的基本概念
在Vue.js应用程序中，组件是一个可重用的UI元素，每个组件都包含自己的模板、JavaScript代码和CSS样式。组件可以嵌套在其他组件中，以构建复杂的UI。例如，我们可以定义一个简单的组件：
<template>
<div>
<h1>{{ message }}</h1>
</div>
</template>
<script>
export default {
data() {
return {
message: 'Hello, Vue!'
};
}
};
</script>
<style scoped>
h1 {
color: red;
}
</style>
（二）组件的注册和使用
在Vue 3中，组件的注册和使用方式与Vue 2有所不同。在Vue 2中，我们可以通过全局注册和局部注册的方式来使用组件。而在Vue 3中，我们可以使用createApp函数来创建一个应用实例，并在实例中注册组件。以下是一个简单的示例：
import { createApp } from 'vue';
import MyComponent from './MyComponent.vue';
const app = createApp({});
app.component('my-component', MyComponent);
app.mount('#app');
（三）组件的生命周期
每个Vue组件都有自己的生命周期，在组件的不同阶段会执行不同的代码。生命周期钩子函数允许开发人员在组件的不同阶段添加自定义代码。Vue 3的生命周期钩子函数与Vue 2基本相似，但在命名和使用方式上有所变化。例如，beforeCreate和created钩子函数在Vue 3中可以通过setup函数来替代。以下是一个简单的示例：
<template>
<div>
<h1>{{ message }}</h1>
</div>
</template>
<script>
import { onBeforeMount, onMounted } from 'vue';
export default {
setup() {
const message = 'Hello, Vue!';
onBeforeMount(() => {
console.log('Before mount');
});
onMounted(() => {
console.log('Mounted');
});
return {
message
};
}
};
</script>
五、编译器
（一）编译器的核心流程
编译器是Vue 3的重要组成部分，它负责将Vue模板编译成渲染函数。与Vue 2相比，Vue 3的编译器采用了更加灵活和高效的编译策略，支持了Vue 3的新特性，如Composition API和Teleport等。
编译器的核心流程包括三个主要步骤：解析（parse）、转换（transform）和生成（generate）。首先，通过parse函数将模板字符串解析成抽象语法树（AST），然后遍历AST进行必要的转换（如静态提升、指令转换等），最后通过generate函数将AST转换成JavaScript代码。以下是compile函数的源码：
export function compile(template, options = {}) {
const ast = parse(template, options);
const code = generate(ast, options);
return { ast, code };
}
export function parse(template, options = {}) {
const ast = createRoot([], {});
parseChildren(ast, template, options);
return ast;
}
export function generate(ast, options = {}) {
const { code } = generateCode(ast, options);
return code;
}
在parse阶段，模板字符串被解析成AST，其中每个节点都代表模板中的一个部分（如元素、指令、文本等）。在generate阶段，AST被转换成JavaScript代码，这些代码最终会在组件的render函数中执行，生成虚拟DOM树。
（二）编译优化技术
Vue 3的编译器采用了多种优化技术来提高编译性能和渲染性能，主要包括以下几个方面：
- 静态提升：对于标签中仅仅是纯文本的节点，会将其提升到
render函数外，再次渲染时无须再次创建，减少了不必要的计算和内存开销。 - Patch flag：标记不同类型的节点（如动态文本节点、有动态属性的节点），在diff过程中可以只对这些标记的节点进行比较，从而提高了diff的效率。
- 缓存事件处理函数：对于一些频繁触发的事件处理函数，会进行缓存，避免每次渲染时都重新创建，提高了性能。
- 组件按需动态导入：在编译时会分析组件的使用情况，对于一些按需加载的组件，会在需要时才进行导入，减少了初始加载的时间。
六、服务端渲染
（一）服务端渲染的原理
服务端渲染（SSR）是指在服务器端将Vue组件渲染为HTML字符串，然后将其发送到客户端。与客户端渲染相比，服务端渲染具有更好的SEO性能和更快的首屏加载速度。
Vue 3的服务端渲染主要通过server-renderer模块来实现。在服务器端，会使用Node.js的流式渲染技术将Vue组件渲染为HTML字符串，然后将其发送到客户端。客户端接收到HTML字符串后，会进行激活操作，将静态的HTML转换为可交互的Vue应用。
（二）服务端渲染的优化
在Vue 3中，服务端渲染在性能和功能上都进行了优化。例如，对transform方面进行了处理，去掉了一些Node端没有的API，把事件绑定之类的操作进行了优化，以提高服务端渲染的效率。同时，还支持简单的rendertostring功能，但目前还没有达到Vue 2 SSR那么完善。
综上所述，Vue v3.0.0在源码设计上进行了全面的优化和改进，采用了模块化的设计，使得整个框架更加易于维护和扩展。响应式系统使用Proxy对象替代了Object.defineProperty，提高了性能和可扩展性；渲染器采用了高效的Diff算法和静态提升技术，显著提升了渲染性能；编译器采用了更加灵活和高效的编译策略，支持了新特性的实现；服务端渲染也在不断优化，为开发者提供了更好的开发体验。通过深入学习Vue v3.0.0的源码，我们可以更好地理解其工作原理，从而在实际开发中更加灵活地运用Vue的特性和API，提高开发效率和代码质量。
