Vue实现virtual-dom的原理简析
时间：2021-09-07 09:10:07 | 栏目：vue | 点击：次
virtual-dom(后文简称vdom)的概念大规模的推广还是得益于react出现，virtual-dom也是react这个框架的非常重要的特性之一。相比于频繁的手动去操作dom而带来性能问题，vdom很好的将dom做了一层映射关系，进而将在我们本需要直接进行dom的一系列操作，映射到了操作vdom，而vdom上定义了关于真实dom的一些关键的信息，vdom完全是用js去实现，和宿主浏览器没有任何联系，此外得益于js的执行速度，将原本需要在真实dom进行的创建节点,删除节点,添加节点等一系列复杂的dom操作全部放到vdom中进行，这样就通过操作vdom来提高直接操作的dom的效率和性能。
Vue在2.0版本也引入了vdom。其vdom算法是基于snabbdom算法所做的修改。
在Vue的整个应用生命周期当中，每次需要更新视图的时候便会使用vdom。那么在Vue当中，vdom是如何和Vue这个框架融合在一起工作的呢？以及大家常常提到的vdom的diff算法又是怎样的呢？接下来就通过这篇文章简单的向大家介绍下Vue当中的vdom是如何去工作的。
首先，我们还是来看下Vue生命周期当中初始化的最后阶段：将vm实例挂载到dom上，源码在src/core/instance
Vue.prototype._init = function () {
...
vm.$mount(vm.$options.el) // 实际上是调用了mountComponent方法
...
}
mountComponent函数的定义是：
export function mountComponent (
vm: Component,
el: ?Element,
hydrating?: boolean
): Component {
// vm.$el为真实的node
vm.$el = el
// 如果vm上没有挂载render函数
if (!vm.$options.render) {
// 空节点
vm.$options.render = createEmptyVNode
}
// 钩子函数
callHook(vm, 'beforeMount')
let updateComponent
/* istanbul ignore if */
if (process.env.NODE_ENV !== 'production' && config.performance && mark) {
...
} else {
// updateComponent为监听函数, new Watcher(vm, updateComponent, noop)
updateComponent = () => {
// Vue.prototype._render 渲染函数
// vm._render() 返回一个VNode
// 更新dom
// vm._render()调用render函数，会返回一个VNode，在生成VNode的过程中，会动态计算getter,同时推入到dep里面
vm._update(vm._render(), hydrating)
}
}
// 新建一个_watcher对象
// vm实例上挂载的_watcher主要是为了更新DOM
// vm/expression/cb
vm._watcher = new Watcher(vm, updateComponent, noop)
hydrating = false
// manually mounted instance, call mounted on self
// mounted is called for render-created child components in its inserted hook
if (vm.$vnode == null) {
vm._isMounted = true
callHook(vm, 'mounted')
}
return vm
}
注意上面的代码中定义了一个updateComponent函数，这个函数执行的时候内部会调用vm._update(vm._render(), hyddrating)方法，其中vm._render方法会返回一个新的vnode，(关于vm_render是如何生成vnode的建议大家看看vue的关于compile阶段的代码)，然后传入vm._update方法后，就用这个新的vnode和老的vnode进行diff，最后完成dom的更新工作。那么updateComponent都是在什么时候去进行调用呢？
vm._watcher = new Watcher(vm, updateComponent, noop)
实例化一个watcher，在求值的过程中this.value = this.lazy ? undefined : this.get()，会调用this.get()方法，因此在实例化的过程当中Dep.target会被设为这个watcher，通过调用vm._render()方法生成新的Vnode并进行diff的过程中完成了模板当中变量依赖收集工作。即这个watcher被添加到了在模板当中所绑定变量的依赖当中。一旦model中的响应式的数据发生了变化，这些响应式的数据所维护的dep数组便会调用dep.notify()方法完成所有依赖遍历执行的工作，这里面就包括了视图的更新即updateComponent方法的调用。
updateComponent方法的定义是：
updateComponent = () => {
vm._update(vm._render(), hydrating)
}
完成视图的更新工作事实上就是调用了vm._update方法，这个方法接收的第一个参数是刚生成的Vnode，调用的vm._update方法的定义是
Vue.prototype._update = function (vnode: VNode, hydrating?: boolean) {
const vm: Component = this
if (vm._isMounted) {
callHook(vm, 'beforeUpdate')
}
const prevEl = vm.$el
const prevVnode = vm._vnode
const prevActiveInstance = activeInstance
activeInstance = vm
// 新的vnode
vm._vnode = vnode
// Vue.prototype.__patch__ is injected in entry points
// based on the rendering backend used.
// 如果需要diff的prevVnode不存在，那么就用新的vnode创建一个真实dom节点
if (!prevVnode) {
// initial render
// 第一个参数为真实的node节点
vm.$el = vm.__patch__(
vm.$el, vnode, hydrating, false /* removeOnly */,
vm.$options._parentElm,
vm.$options._refElm
)
} else {
// updates
// 如果需要diff的prevVnode存在，那么首先对prevVnode和vnode进行diff,并将需要的更新的dom操作已patch的形式打到prevVnode上，并完成真实dom的更新工作
vm.$el = vm.__patch__(prevVnode, vnode)
}
activeInstance = prevActiveInstance
// update __vue__ reference
if (prevEl) {
prevEl.__vue__ = null
}
if (vm.$el) {
vm.$el.__vue__ = vm
}
// if parent is an HOC, update its $el as well
if (vm.$vnode && vm.$parent && vm.$vnode === vm.$parent._vnode) {
vm.$parent.$el = vm.$el
}
}
在这个方法当中最为关键的就是vm.__patch__方法，这也是整个virtaul-dom当中最为核心的方法，主要完成了prevVnode和vnode的diff过程并根据需要操作的vdom节点打patch，最后生成新的真实dom节点并完成视图的更新工作。
接下来就让我们看下vm.__patch__里面到底发生了什么：
function patch (oldVnode, vnode, hydrating, removeOnly, parentElm, refElm) {
// 当oldVnode不存在时
if (isUndef(oldVnode)) {
// 创建新的节点
createElm(vnode, insertedVnodeQueue, parentElm, refElm)
} else {
const isRealElement = isDef(oldVnode.nodeType)
if (!isRealElement && sameVnode(oldVnode, vnode)) {
// patch existing root node
// 对oldVnode和vnode进行diff，并对oldVnode打patch
patchVnode(oldVnode, vnode, insertedVnodeQueue, removeOnly)
}
}
}
在对oldVnode和vnode类型判断中有个sameVnode方法，这个方法决定了是否需要对oldVnode和vnode进行diff及patch的过程。
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)
)
}
sameVnode会对传入的2个vnode进行基本属性的比较，只有当基本属性相同的情况下才认为这个2个vnode只是局部发生了更新，然后才会对这2个vnode进行diff，如果2个vnode的基本属性存在不一致的情况，那么就会直接跳过diff的过程，进而依据vnode新建一个真实的dom，同时删除老的dom节点。
vnode基本属性的定义可以参见源码:src/vdom/vnode.js里面对于vnode的定义。
constructor (
tag?: string,
data?: VNodeData, // 关于这个节点的data值，包括attrs,style,hook等
children?: ?Array<VNode>, // 子vdom节点
text?: string, // 文本内容
elm?: Node, // 真实的dom节点
context?: Component, // 创建这个vdom的上下文
componentOptions?: VNodeComponentOptions
) {
this.tag = tag
this.data = data
this.children = children
this.text = text
this.elm = elm
this.ns = undefined
this.context = context
this.functionalContext = undefined
this.key = data && data.key
this.componentOptions = componentOptions
this.componentInstance = undefined
this.parent = undefined
this.raw = false
this.isStatic = false
this.isRootInsert = true
this.isComment = false
this.isCloned = false
this.isOnce = false
}
// DEPRECATED: alias for componentInstance for backwards compat.
/* istanbul ignore next */
get child (): Component | void {
return this.componentInstance
}
}
每一个vnode都映射到一个真实的dom节点上。其中几个比较重要的属性:
- tag 属性即这个vnode的标签属性
- data 属性包含了最后渲染成真实dom节点后，节点上的class,attribute,style以及绑定的事件
- children 属性是vnode的子节点
- text 属性是文本属性
- elm 属性为这个vnode对应的真实dom节点
- key 属性是vnode的标记，在diff过程中可以提高diff的效率，后文有讲解
比如，我定义了一个vnode，它的数据结构是:
{
tag: 'div'
data: {
id: 'app',
class: 'page-box'
},
children: [
{
tag: 'p',
text: 'this is demo'
}
]
}
最后渲染出的实际的dom结构就是:
<div id="app" class="page-box">
<p>this is demo</p>
</div>
让我们再回到patch函数当中，在当oldVnode不存在的时候，这个时候是root节点初始化的过程，因此调用了createElm(vnode, insertedVnodeQueue, parentElm, refElm)方法去创建一个新的节点。而当oldVnode是vnode且sameVnode(oldVnode, vnode)2个节点的基本属性相同，那么就进入了2个节点的diff过程。
diff的过程主要是通过调用patchVnode方法进行的:
function patchVnode(oldVnode, vnode, insertedVnodeQueue, removeOnly) {
...
}
if (isDef(data) && isPatchable(vnode)) {
// cbs保存了hooks钩子函数: 'create', 'activate', 'update', 'remove', 'destroy'
// 取出cbs保存的update钩子函数，依次调用，更新attrs/style/class/events/directives/refs等属性
for (i = 0; i < cbs.update.length; ++i) cbs.update[i](oldVnode, vnode)
if (isDef(i = data.hook) && isDef(i = i.update)) i(oldVnode, vnode)
}
更新真实dom节点的data属性，相当于对dom节点进行了预处理的操作
接下来:
...
const elm = vnode.elm = oldVnode.elm
const oldCh = oldVnode.children
const ch = vnode.children
// 如果vnode没有文本节点
if (isUndef(vnode.text)) {
// 如果oldVnode的children属性存在且vnode的属性也存在
if (isDef(oldCh) && isDef(ch)) {
// updateChildren，对子节点进行diff
if (oldCh !== ch) updateChildren(elm, oldCh, ch, insertedVnodeQueue, removeOnly)
} else if (isDef(ch)) {
// 如果oldVnode的text存在，那么首先清空text的内容
if (isDef(oldVnode.text)) nodeOps.setTextContent(elm, '')
// 然后将vnode的children添加进去
addVnodes(elm, null, ch, 0, ch.length - 1, insertedVnodeQueue)
} else if (isDef(oldCh)) {
// 删除elm下的oldchildren
removeVnodes(elm, oldCh, 0, oldCh.length - 1)
} else if (isDef(oldVnode.text)) {
// oldVnode有子节点，而vnode没有，那么就清空这个节点
nodeOps.setTextContent(elm, '')
}
} else if (oldVnode.text !== vnode.text) {
// 如果oldVnode和vnode文本属性不同，那么直接更新真是dom节点的文本元素
nodeOps.setTextContent(elm, vnode.text)
}
这其中的diff过程中又分了好几种情况，oldCh为oldVnode的子节点，ch为Vnode的子节点：
- 首先进行文本节点的判断，若oldVnode.text !== vnode.text，那么就会直接进行文本节点的替换；
- 在vnode没有文本节点的情况下，进入子节点的diff；
- 当oldCh和ch都存在且不相同的情况下，调用updateChildren对子节点进行diff；
- 若oldCh不存在，ch存在，首先清空oldVnode的文本节点，同时调用addVnodes方法将ch添加到elm真实dom节点当中；
- 若oldCh存在，ch不存在，则删除elm真实节点下的oldCh子节点；
- 若oldVnode有文本节点，而vnode没有，那么就清空这个文本节点。
这里着重分析下updateChildren方法，它也是整个diff过程中最重要的环节:
function updateChildren (parentElm, oldCh, newCh, insertedVnodeQueue, removeOnly) {
// 为oldCh和newCh分别建立索引，为之后遍历的依据
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, elmToMove, refElm
// 直到oldCh或者newCh被遍历完后跳出循环
while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {
if (isUndef(oldStartVnode)) {
oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx] // Vnode has been moved left
} else if (isUndef(oldEndVnode)) {
oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
} else if (sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
} else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue)
oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
} else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) { // Vnode moved right
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
patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
// 插入到老的开始节点的前面
canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, oldEndVnode.elm, oldStartVnode.elm)
oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
} else {
// 如果以上条件都不满足，那么这个时候开始比较key值，首先建立key和index索引的对应关系
if (isUndef(oldKeyToIdx)) oldKeyToIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
idxInOld = isDef(newStartVnode.key) ? oldKeyToIdx[newStartVnode.key] : null
// 如果idxInOld不存在
// 1. newStartVnode上存在这个key,但是oldKeyToIdx中不存在
// 2. newStartVnode上并没有设置key属性
if (isUndef(idxInOld)) { // New element
// 创建新的dom节点
// 插入到oldStartVnode.elm前面
// 参见createElm方法
createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm)
newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
} else {
elmToMove = oldCh[idxInOld]
/* istanbul ignore if */
if (process.env.NODE_ENV !== 'production' && !elmToMove) {
warn(
'It seems there are duplicate keys that is causing an update error. ' +
'Make sure each v-for item has a unique key.'
)
// 将找到的key一致的oldVnode再和newStartVnode进行diff
if (sameVnode(elmToMove, newStartVnode)) {
patchVnode(elmToMove, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
oldCh[idxInOld] = undefined
// 移动node节点
canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, newStartVnode.elm, oldStartVnode.elm)
newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
} else {
// same key but different element. treat as new element
// 创建新的dom节点
createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm)
newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
}
}
}
}
// 如果最后遍历的oldStartIdx大于oldEndIdx的话
if (oldStartIdx > oldEndIdx) { // 如果是老的vdom先被遍历完
refElm = isUndef(newCh[newEndIdx + 1]) ? null : newCh[newEndIdx + 1].elm
// 添加newVnode中剩余的节点到parentElm中
addVnodes(parentElm, refElm, newCh, newStartIdx, newEndIdx, insertedVnodeQueue)
} else if (newStartIdx > newEndIdx) { // 如果是新的vdom先被遍历完，则删除oldVnode里面所有的节点
// 删除剩余的节点
removeVnodes(parentElm, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
}
}
在开始遍历diff前，首先给oldCh和newCh分别分配一个startIndex和endIndex来作为遍历的索引，当oldCh或者newCh遍历完后(遍历完的条件就是oldCh或者newCh的startIndex >= endIndex)，就停止oldCh和newCh的diff过程。接下来通过实例来看下整个diff的过程(节点属性中不带key的情况):
首先从第一个节点开始比较，不管是oldCh还是newCh的起始或者终止节点都不存在sameVnode，同时节点属性中是不带key标记的，因此第一轮的diff完后，newCh的startVnode被添加到oldStartVnode的前面，同时newStartIndex前移一位；
第二轮的diff中，满足sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)，因此对这2个vnode进行diff，最后将patch打到oldStartVnode上，同时oldStartVnode和newStartIndex都向前移动一位
第三轮的diff中，满足sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)，那么首先对oldEndVnode和newStartVnode进行diff，并对oldEndVnode进行patch，并完成oldEndVnode移位的操作，最后newStartIndex前移一位，oldStartVnode后移一位；
第四轮的diff中，过程同步骤3；
第五轮的diff中，同过程1；
遍历的过程结束后，newStartIdx > newEndIdx，说明此时oldCh存在多余的节点，那么最后就需要将这些多余的节点删除。
在vnode不带key的情况下，每一轮的diff过程当中都是起始和结束节点进行比较，直到oldCh或者newCh被遍历完。而当为vnode引入key属性后，在每一轮的diff过程中，当起始和结束节点都没有找到sameVnode时，首先对oldCh中进行key值与索引的映射:
if (isUndef(oldKeyToIdx)) oldKeyToIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx) idxInOld = isDef(newStartVnode.key) ? oldKeyToIdx[newStartVnode.key] : null
createKeyToOldIdx方法，用以将oldCh中的key属性作为键，而对应的节点的索引作为值。然后再判断在newStartVnode的属性中是否有key，且是否在oldKeyToIndx中找到对应的节点。
如果不存在这个key，那么就将这个newStartVnode作为新的节点创建且插入到原有的root的子节点中:
if (isUndef(idxInOld)) { // New element
// 创建新的dom节点
// 插入到oldStartVnode.elm前面
// 参见createElm方法
createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm)
newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
}
如果存在这个key，那么就取出oldCh中的存在这个key的vnode，然后再进行diff的过程:
elmToMove = oldCh[idxInOld]
/* istanbul ignore if */
if (process.env.NODE_ENV !== 'production' && !elmToMove) {
// 将找到的key一致的oldVnode再和newStartVnode进行diff
if (sameVnode(elmToMove, newStartVnode)) {
patchVnode(elmToMove, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
// 清空这个节点
oldCh[idxInOld] = undefined
// 移动node节点
canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, newStartVnode.elm, oldStartVnode.elm)
newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
} else {
// same key but different element. treat as new element
// 创建新的dom节点
createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm)
newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
}
通过以上分析，给vdom上添加key属性后，遍历diff的过程中，当起始点, 结束点的搜寻及diff出现还是无法匹配的情况下时，就会用key来作为唯一标识，来进行diff，这样就可以提高diff效率。
带有Key属性的vnode的diff过程可见下图：
注意在第一轮的diff过后oldCh上的B节点被删除了，但是newCh上的B节点上elm属性保持对oldCh上B节点的elm引用。
