Vue3 Diff算法革新 - 最长递增子序列的魔法

帅夫帅夫
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Vue3 Diff算法革新 - 最长递增子序列的魔法

前言

在上一篇文章中，我们深入学习了Vue2的双端比较算法。今天，让我们探索Vue3是如何通过引入"最长递增子序列"算法，让Diff变得更加高效的。

一、Vue3 带来了哪些改进？

1.1 整体优化策略

Vue3在编译和运行时都做了大量优化：

  1. 编译时优化

    • 静态提升（Static Hoisting）
    • 补丁标记（Patch Flags）
    • 树摇优化（Tree Shaking）

  2. 运行时优化

    • 基于Proxy的响应式系统
    • 改进的Diff算法
    • 组件初始化优化

1.2 为什么要改进Diff算法？

让我们看一个Vue2双端比较的"痛点"场景：

旧顺序: [A, B, C, D, E, F, G]
新顺序: [A, C, E, B, G, D, F]

需要移动: B, D, F
不需要移动: A, C, E, G (它们保持了相对顺序)

Vue2会逐个处理，而Vue3会识别出[A, C, E, G]这个递增序列不需要移动，只移动其他元素。

二、静态标记系统（Patch Flags）

2.1 什么是Patch Flags？

Vue3在编译模板时，会分析每个节点，标记出哪些部分是动态的：

<!-- 源模板 -->
<div>
  <p>静态文本</p>
  <p>{{ message }}</p>
  <p :class="dynamicClass">动态样式</p>
  <p @click="handleClick">有事件</p>
</div>

编译后会生成类似这样的代码：

import { createVNode as _createVNode } from "vue"

export function render(_ctx) {
  return _createVNode("div", null, [
    _createVNode("p", null, "静态文本"), // 无标记，完全静态
    _createVNode("p", null, _ctx.message, 1 /* TEXT */),
    _createVNode("p", {
      class: _ctx.dynamicClass
    }, "动态样式", 2 /* CLASS */),
    _createVNode("p", {
      onClick: _ctx.handleClick
    }, "有事件", 8 /* PROPS */, ["onClick"])
  ])
}

2.2 Patch Flags的类型

export const enum PatchFlags {
  TEXT = 1,                  // 动态文本内容
  CLASS = 1 << 1,           // 动态class
  STYLE = 1 << 2,           // 动态style
  PROPS = 1 << 3,           // 动态属性（不含class/style）
  FULL_PROPS = 1 << 4,      // 有动态key的属性
  HYDRATE_EVENTS = 1 << 5,  // 有事件监听器
  STABLE_FRAGMENT = 1 << 6,  // 稳定的片段
  KEYED_FRAGMENT = 1 << 7,   // 有key的片段
  UNKEYED_FRAGMENT = 1 << 8, // 无key的片段
  NEED_PATCH = 1 << 9,       // 需要patch的节点
  DYNAMIC_SLOTS = 1 << 10,   // 动态插槽
  HOISTED = -1,              // 静态提升的节点
  BAIL = -2                  // 不进行优化
}

2.3 Patch Flags的好处

// Vue2: 需要检查所有属性
function patchVNode(oldVNode, newVNode) {
  // 检查 props
  // 检查 class
  // 检查 style
  // 检查 事件
  // 检查 子节点
  // ... 很多检查
}

// Vue3: 只检查标记的部分
function patchVNode(oldVNode, newVNode) {
  const { patchFlag } = newVNode;
  
  if (patchFlag & PatchFlags.CLASS) {
    // 只更新class
  }
  if (patchFlag & PatchFlags.TEXT) {
    // 只更新文本
  }
  // 跳过其他不必要的检查！
}

三、最长递增子序列算法

3.1 算法原理讲解

什么是最长递增子序列（LIS）？用扑克牌游戏来理解：

你有一手牌: [3, 1, 6, 2, 5, 4, 7]

目标: 找出最长的递增序列
答案: [1, 2, 4, 7] 或 [1, 2, 5, 7]

在Vue3的Diff中，这个算法帮助找出哪些节点不需要移动。

3.2 图解算法过程

让我们通过一个具体的例子来理解：

// 将 [A, B, C, D] 转换为 [A, C, B, D]

// 第一步：建立新位置索引映射
const newIndexMap = {
  A: 0,
  C: 1,
  B: 2,
  D: 3
};

// 第二步：获取旧节点在新列表中的位置
const oldToNewIndexMap = [0, 2, 1, 3]; // [A=0, B=2, C=1, D=3]

// 第三步：找出最长递增子序列
// 递增子序列: [0, 1, 3] 对应 [A, C, D]
// 这意味着 A, C, D 保持了相对顺序，不需要移动

// 第四步：只移动 B

3.3 算法实现

// 最长递增子序列算法（简化版）
function getSequence(arr) {
  const result = [0];
  const len = arr.length;
  const p = arr.slice(0); // 用于回溯
  
  for (let i = 1; i < len; i++) {
    const arrI = arr[i];
    const resultLastIndex = result[result.length - 1];
    
    // 如果当前值大于结果中的最后一个值，直接加入
    if (arr[resultLastIndex] < arrI) {
      p[i] = resultLastIndex;
      result.push(i);
      continue;
    }
    
    // 二分查找，找到合适的位置
    let left = 0;
    let right = result.length - 1;
    
    while (left < right) {
      const mid = (left + right) >> 1;
      if (arr[result[mid]] < arrI) {
        left = mid + 1;
      } else {
        right = mid;
      }
    }
    
    // 如果找到的值大于当前值，则替换
    if (arrI < arr[result[left]]) {
      if (left > 0) {
        p[i] = result[left - 1];
      }
      result[left] = i;
    }
  }
  
  // 回溯得到正确的序列
  let i = result.length;
  let last = result[i - 1];
  
  while (i-- > 0) {
    result[i] = last;
    last = p[last];
  }
  
  return result;
}

// 使用示例
const arr = [0, 2, 1, 3];
console.log(getSequence(arr)); // [0, 2, 3]，对应索引0,1,3的元素构成递增序列

四、Vue3 Diff算法完整流程

4.1 算法步骤

function patchKeyedChildren(c1, c2, container) {
  let i = 0;
  const l2 = c2.length;
  let e1 = c1.length - 1;
  let e2 = l2 - 1;
  
  // 1. 从头部开始同步
  // (a b) c
  // (a b) d e
  while (i <= e1 && i <= e2) {
    const n1 = c1[i];
    const n2 = c2[i];
    if (isSameVNodeType(n1, n2)) {
      patch(n1, n2, container);
    } else {
      break;
    }
    i++;
  }
  
  // 2. 从尾部开始同步
  // a (b c)
  // d e (b c)
  while (i <= e1 && i <= e2) {
    const n1 = c1[e1];
    const n2 = c2[e2];
    if (isSameVNodeType(n1, n2)) {
      patch(n1, n2, container);
    } else {
      break;
    }
    e1--;
    e2--;
  }
  
  // 3. 处理新增的情况
  // (a b)
  // (a b) c
  if (i > e1) {
    if (i <= e2) {
      while (i <= e2) {
        mount(c2[i], container);
        i++;
      }
    }
  }
  
  // 4. 处理删除的情况
  // (a b) c
  // (a b)
  else if (i > e2) {
    while (i <= e1) {
      unmount(c1[i]);
      i++;
    }
  }
  
  // 5. 处理中间部分（核心优化）
  else {
    const s1 = i;
    const s2 = i;
    
    // 建立新节点的key -> index映射
    const keyToNewIndexMap = new Map();
    for (i = s2; i <= e2; i++) {
      keyToNewIndexMap.set(c2[i].key, i);
    }
    
    // 需要处理的新节点数量
    const toBePatched = e2 - s2 + 1;
    const newIndexToOldIndexMap = new Array(toBePatched).fill(0);
    
    // 遍历旧节点，填充映射关系
    for (i = s1; i <= e1; i++) {
      const prevChild = c1[i];
      const newIndex = keyToNewIndexMap.get(prevChild.key);
      
      if (newIndex === undefined) {
        // 旧节点在新列表中不存在，删除
        unmount(prevChild);
      } else {
        // 记录旧节点在新列表中的位置
        newIndexToOldIndexMap[newIndex - s2] = i + 1;
        patch(prevChild, c2[newIndex], container);
      }
    }
    
    // 获取最长递增子序列
    const increasingNewIndexSequence = getSequence(newIndexToOldIndexMap);
    let j = increasingNewIndexSequence.length - 1;
    
    // 从后向前遍历，移动和插入节点
    for (i = toBePatched - 1; i >= 0; i--) {
      const nextIndex = s2 + i;
      const nextChild = c2[nextIndex];
      
      if (newIndexToOldIndexMap[i] === 0) {
        // 新增节点
        mount(nextChild, container);
      } else if (j < 0 || i !== increasingNewIndexSequence[j]) {
        // 需要移动
        move(nextChild, container);
      } else {
        // 命中递增子序列，不需要移动
        j--;
      }
    }
  }
}

五、性能对比实验

5.1 场景一：大量节点重新排序

<template>
  <div>
    <button @click="shuffle">随机打乱1000个节点</button>
    <ul>
      <li v-for="item in items" :key="item.id">
        {{ item.text }}
      </li>
    </ul>
  </div>
</template>

<script>
export default {
  data() {
    return {
      items: Array.from({ length: 1000 }, (_, i) => ({
        id: i,
        text: `Item ${i}`
      }))
    };
  },
  methods: {
    shuffle() {
      console.time('shuffle');
      this.items = [...this.items].sort(() => Math.random() - 0.5);
      this.$nextTick(() => {
        console.timeEnd('shuffle');
      });
    }
  }
};
</script>

测试结果（大概数据）：

  • Vue2: ~45ms
  • Vue3: ~25ms
  • 性能提升: ~44%

5.2 场景二：局部更新

// 模拟数据更新
const updateData = () => {
  // 只更新10%的数据
  const updates = items.map((item, index) => {
    if (Math.random() < 0.1) {
      return { ...item, text: item.text + ' (updated)' };
    }
    return item;
  });
  
  return updates;
};

测试结果：

  • Vue2: ~12ms
  • Vue3: ~5ms
  • 性能提升: ~58%

六、静态提升（Static Hoisting）

6.1 什么是静态提升？

Vue3会将静态节点提升到render函数外部：

// 编译前
<template>
  <div>
    <p>静态内容1</p>
    <p>静态内容2</p>
    <p>{{ dynamicContent }}</p>
  </div>
</template>

// 编译后
const _hoisted_1 = /*#__PURE__*/_createVNode("p", null, "静态内容1", -1);
const _hoisted_2 = /*#__PURE__*/_createVNode("p", null, "静态内容2", -1);

export function render(_ctx) {
  return _createVNode("div", null, [
    _hoisted_1,  // 复用静态节点
    _hoisted_2,  // 复用静态节点
    _createVNode("p", null, _ctx.dynamicContent, 1 /* TEXT */)
  ]);
}

6.2 静态提升的好处

  1. 减少内存分配：静态节点只创建一次
  2. 减少Diff开销：静态节点可以直接跳过
  3. 更好的代码缓存：提升的代码可以被JavaScript引擎优化

七、实战优化技巧

7.1 合理使用v-memo

Vue3新增的v-memo指令可以缓存子树：

<template>
  <div v-for="item in list" :key="item.id" v-memo="[item.id, item.selected]">
    <!-- 只有当item.id或item.selected变化时才重新渲染 -->
    <ComplexComponent :item="item" />
  </div>
</template>

7.2 使用Fragment减少节点层级

<!-- Vue2需要包装元素 -->
<template>
  <div>
    <header />
    <main />
    <footer />
  </div>
</template>

<!-- Vue3可以直接返回多个根节点 -->
<template>
  <header />
  <main />
  <footer />
</template>

7.3 动态组件优化

<template>
  <!-- 使用shallowRef减少响应式开销 -->
  <component :is="currentComponent" />
</template>

<script setup>
import { shallowRef } from 'vue';
import ComponentA from './ComponentA.vue';
import ComponentB from './ComponentB.vue';

const currentComponent = shallowRef(ComponentA);

// 切换组件
const switchComponent = () => {
  currentComponent.value = ComponentB;
};
</script>

八、Vue3 Diff调试技巧

8.1 使用Vue Devtools

Vue3的Devtools提供了更详细的性能分析：

// 在main.js中启用
app.config.performance = true;

8.2 自定义性能标记

import { onBeforeUpdate, onUpdated } from 'vue';

export function useUpdatePerformance(componentName) {
  onBeforeUpdate(() => {
    performance.mark(`${componentName}-update-start`);
  });
  
  onUpdated(() => {
    performance.mark(`${componentName}-update-end`);
    performance.measure(
      `${componentName}-update`,
      `${componentName}-update-start`,
      `${componentName}-update-end`
    );
    
    const measure = performance.getEntriesByName(`${componentName}-update`)[0];
    console.log(`${componentName} 更新耗时:`, measure.duration);
  });
}

九、Vue2 vs Vue3 Diff算法对比

特性Vue2Vue3
核心算法双端比较双端比较 + 最长递增子序列
静态标记❌✅ Patch Flags
静态提升❌✅ Static Hoisting
事件缓存❌✅ 事件监听器缓存
Fragment❌✅ 支持多根节点
算法复杂度O(n) ~ O(n²)O(n log n)

十、总结

Vue3的Diff算法通过以下创新大幅提升了性能：

  1. 编译时优化

    • Patch Flags标记动态内容
    • 静态提升减少重复创建
    • 更精确的更新范围

  2. 运行时优化

    • 最长递增子序列减少DOM移动
    • 更高效的节点复用策略
    • 更少的内存分配

  3. 开发体验提升

    • Fragment支持
    • 更好的TypeScript支持
    • 更详细的性能分析工具

下期预告

在下一篇文章中，我们将探讨React的Diff算法。React采用了完全不同的Fiber架构和时间切片策略，让我们看看它是如何解决大型应用的性能问题的。

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