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深入框架本源系列 —— Virtual Dom

该系列会逐步更新,完整的讲解目前主流框架中底层相通的技术,接下来的代码内容都会更新在 这里

为什么需要 Virtual Dom

众所周知,操作 DOM 是很耗费性能的一件事情,既然如此,我们可以考虑通过 JS 对象来模拟 DOM 对象,毕竟操作 JS 对象比操作 DOM 省时的多。

举个例子

// 假设这里模拟一个 ul,其中包含了 5 个 li
[1, 2, 3, 4, 5] 
// 这里替换上面的 li
[1, 2, 5, 4]
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从上述例子中,我们一眼就可以看出先前的 ul 中的第三个 li 被移除了,四五替换了位置。

如果以上操作对应到 DOM 中,那么就是以下代码

// 删除第三个 li
ul.childNodes[2].remove()
// 将第四个 li 和第五个交换位置
let fromNode = ul.childNodes[4]
let toNode = node.childNodes[3]
let cloneFromNode = fromNode.cloneNode(true)
let cloenToNode = toNode.cloneNode(true)
ul.replaceChild(cloneFromNode, toNode)
ul.replaceChild(cloenToNode, fromNode)
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当然在实际操作中,我们还需要给每个节点一个标识,作为判断是同一个节点的依据。所以这也是 Vue 和 React 中官方推荐列表里的节点使用唯一的 key 来保证性能。

那么既然 DOM 对象可以通过 JS 对象来模拟,反之也可以通过 JS 对象来渲染出对应的 DOM

以下是一个 JS 对象模拟 DOM 对象的简单实现

export default class Element {
  /**
   * @param {String} tag 'div'
   * @param {Object} props { class: 'item' }
   * @param {Array} children [ Element1, 'text']
   * @param {String} key option
   */
  constructor(tag, props, children, key) {
    this.tag = tag
    this.props = props
    if (Array.isArray(children)) {
      this.children = children
    } else if (isString(children)) {
      this.key = children
      this.children = null
    }
    if (key) this.key = key
  }
  // 渲染
  render() {
    let root = this._createElement(
      this.tag,
      this.props,
      this.children,
      this.key
    )
    document.body.appendChild(root)
    return root
  }
  create() {
    return this._createElement(this.tag, this.props, this.children, this.key)
  }
  // 创建节点
  _createElement(tag, props, child, key) {
    // 通过 tag 创建节点
    let el = document.createElement(tag)
    // 设置节点属性
    for (const key in props) {
      if (props.hasOwnProperty(key)) {
        const value = props[key]
        el.setAttribute(key, value)
      }
    }
    if (key) {
      el.setAttribute('key', key)
    }
    // 递归添加子节点
    if (child) {
      child.forEach(element => {
        let child
        if (element instanceof Element) {
          child = this._createElement(
            element.tag,
            element.props,
            element.children,
            element.key
          )
        } else {
          child = document.createTextNode(element)
        }
        el.appendChild(child)
      })
    }
    return el
  }
}
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Virtual Dom 算法简述

既然我们已经通过 JS 来模拟实现了 DOM,那么接下来的难点就在于如何判断旧的对象和新的对象之间的差异。

DOM 是多叉树的结构,如果需要完整的对比两颗树的差异,那么需要的时间复杂度会是 O(n ^ 3),这个复杂度肯定是不能接受的。于是 React 团队优化了算法,实现了 O(n) 的复杂度来对比差异。

实现 O(n) 复杂度的关键就是只对比同层的节点,而不是跨层对比,这也是考虑到在实际业务中很少会去跨层的移动 DOM 元素。

所以判断差异的算法就分为了两步

  • 首先从上至下,从左往右遍历对象,也就是树的深度遍历,这一步中会给每个节点添加索引,便于最后渲染差异
  • 一旦节点有子元素,就去判断子元素是否有不同

Virtual Dom 算法实现

树的递归

首先我们来实现树的递归算法,在实现该算法前,先来考虑下两个节点对比会有几种情况

  1. 新的节点的 tagName 或者 key 和旧的不同,这种情况代表需要替换旧的节点,并且也不再需要遍历新旧节点的子元素了,因为整个旧节点都被删掉了
  2. 新的节点的 tagNamekey(可能都没有)和旧的相同,开始遍历子树
  3. 没有新的节点,那么什么都不用做
import { StateEnums, isString, move } from './util'
import Element from './element'

export default function diff(oldDomTree, newDomTree) {
  // 用于记录差异
  let pathchs = {}
  // 一开始的索引为 0
  dfs(oldDomTree, newDomTree, 0, pathchs)
  return pathchs
}

function dfs(oldNode, newNode, index, patches) {
  // 用于保存子树的更改
  let curPatches = []
  // 需要判断三种情况
  // 1.没有新的节点,那么什么都不用做
  // 2.新的节点的 tagName 和 `key` 和旧的不同,就替换
  // 3.新的节点的 tagName 和 key(可能都没有) 和旧的相同,开始遍历子树
  if (!newNode) {
  } else if (newNode.tag === oldNode.tag && newNode.key === oldNode.key) {
    // 判断属性是否变更
    let props = diffProps(oldNode.props, newNode.props)
    if (props.length) curPatches.push({ type: StateEnums.ChangeProps, props })
    // 遍历子树
    diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, patches)
  } else {
    // 节点不同,需要替换
    curPatches.push({ type: StateEnums.Replace, node: newNode })
  }

  if (curPatches.length) {
    if (patches[index]) {
      patches[index] = patches[index].concat(curPatches)
    } else {
      patches[index] = curPatches
    }
  }
}
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判断属性的更改

判断属性的更改也分三个步骤

  1. 遍历旧的属性列表,查看每个属性是否还存在于新的属性列表中
  2. 遍历新的属性列表,判断两个列表中都存在的属性的值是否有变化
  3. 在第二步中同时查看是否有属性不存在与旧的属性列列表中
function diffProps(oldProps, newProps) {
  // 判断 Props 分以下三步骤
  // 先遍历 oldProps 查看是否存在删除的属性
  // 然后遍历 newProps 查看是否有属性值被修改
  // 最后查看是否有属性新增
  let change = []
  for (const key in oldProps) {
    if (oldProps.hasOwnProperty(key) && !newProps[key]) {
      change.push({
        prop: key
      })
    }
  }
  for (const key in newProps) {
    if (newProps.hasOwnProperty(key)) {
      const prop = newProps[key]
      if (oldProps[key] && oldProps[key] !== newProps[key]) {
        change.push({
          prop: key,
          value: newProps[key]
        })
      } else if (!oldProps[key]) {
        change.push({
          prop: key,
          value: newProps[key]
        })
      }
    }
  }
  return change
}
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判断列表差异算法实现

这个算法是整个 Virtual Dom 中最核心的算法,且让我一一为你道来。 这里的主要步骤其实和判断属性差异是类似的,也是分为三步

  1. 遍历旧的节点列表,查看每个节点是否还存在于新的节点列表中
  2. 遍历新的节点列表,判断是否有新的节点
  3. 在第二步中同时判断节点是否有移动

PS:该算法只对有 key 的节点做处理

function listDiff(oldList, newList, index, patches) {
  // 为了遍历方便,先取出两个 list 的所有 keys
  let oldKeys = getKeys(oldList)
  let newKeys = getKeys(newList)
  let changes = []

  // 用于保存变更后的节点数据
  // 使用该数组保存有以下好处
  // 1.可以正确获得被删除节点索引
  // 2.交换节点位置只需要操作一遍 DOM
  // 3.用于 `diffChildren` 函数中的判断,只需要遍历
  // 两个树中都存在的节点,而对于新增或者删除的节点来说,完全没必要
  // 再去判断一遍
  let list = []
  oldList &&
    oldList.forEach(item => {
      let key = item.key
      if (isString(item)) {
        key = item
      }
      // 寻找新的 children 中是否含有当前节点
      // 没有的话需要删除
      let index = newKeys.indexOf(key)
      if (index === -1) {
        list.push(null)
      } else list.push(key)
    })
  // 遍历变更后的数组
  let length = list.length
  // 因为删除数组元素是会更改索引的
  // 所有从后往前删可以保证索引不变
  for (let i = length - 1; i >= 0; i--) {
    // 判断当前元素是否为空,为空表示需要删除
    if (!list[i]) {
      list.splice(i, 1)
      changes.push({
        type: StateEnums.Remove,
        index: i
      })
    }
  }
  // 遍历新的 list,判断是否有节点新增或移动
  // 同时也对 `list` 做节点新增和移动节点的操作
  newList &&
    newList.forEach((item, i) => {
      let key = item.key
      if (isString(item)) {
        key = item
      }
      // 寻找旧的 children 中是否含有当前节点
      let index = list.indexOf(key)
      // 没找到代表新节点,需要插入
      if (index === -1  || key == null) {
        changes.push({
          type: StateEnums.Insert,
          node: item,
          index: i
        })
        list.splice(i, 0, key)
      } else {
        // 找到了,需要判断是否需要移动
        if (index !== i) {
          changes.push({
            type: StateEnums.Move,
            from: index,
            to: i
          })
          move(list, index, i)
        }
      }
    })
  return { changes, list }
}

function getKeys(list) {
  let keys = []
  let text
  list &&
    list.forEach(item => {
      let key
      if (isString(item)) {
        key = [item]
      } else if (item instanceof Element) {
        key = item.key
      }
      keys.push(key)
    })
  return keys
}
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遍历子元素打标识

对于这个函数来说,主要功能就两个

  1. 判断两个列表差异
  2. 给节点打上标记

总体来说,该函数实现的功能很简单

function diffChildren(oldChild, newChild, index, patches) {
  let { changes, list } = listDiff(oldChild, newChild, index, patches)
  if (changes.length) {
    if (patches[index]) {
      patches[index] = patches[index].concat(changes)
    } else {
      patches[index] = changes
    }
  }
  // 记录上一个遍历过的节点
  let last = null
  oldChild &&
    oldChild.forEach((item, i) => {
      let child = item && item.children
      if (child) {
        index =
          last && last.children ? index + last.children.length + 1 : index + 1
        let keyIndex = list.indexOf(item.key)
        let node = newChild[keyIndex]
        // 只遍历新旧中都存在的节点,其他新增或者删除的没必要遍历
        if (node) {
          dfs(item, node, index, patches)
        }
      } else index += 1
      last = item
    })
}
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渲染差异

通过之前的算法,我们已经可以得出两个树的差异了。既然知道了差异,就需要局部去更新 DOM 了,下面就让我们来看看 Virtual Dom 算法的最后一步骤

这个函数主要两个功能

  1. 深度遍历树,将需要做变更操作的取出来
  2. 局部更新 DOM

整体来说这部分代码还是很好理解的

let index = 0
export default function patch(node, patchs) {
  let changes = patchs[index]
  let childNodes = node && node.childNodes
  // 这里的深度遍历和 diff 中是一样的
  if (!childNodes) index += 1
  if (changes && changes.length && patchs[index]) {
    changeDom(node, changes)
  }
  let last = null
  if (childNodes && childNodes.length) {
    childNodes.forEach((item, i) => {
      index =
        last && last.children ? index + last.children.length + 1 : index + 1
      patch(item, patchs)
      last = item
    })
  }
}

function changeDom(node, changes, noChild) {
  changes &&
    changes.forEach(change => {
      let { type } = change
      switch (type) {
        case StateEnums.ChangeProps:
          let { props } = change
          props.forEach(item => {
            if (item.value) {
              node.setAttribute(item.prop, item.value)
            } else {
              node.removeAttribute(item.prop)
            }
          })
          break
        case StateEnums.Remove:
          node.childNodes[change.index].remove()
          break
        case StateEnums.Insert:
          let dom
          if (isString(change.node)) {
            dom = document.createTextNode(change.node)
          } else if (change.node instanceof Element) {
            dom = change.node.create()
          }
          node.insertBefore(dom, node.childNodes[change.index])
          break
        case StateEnums.Replace:
          node.parentNode.replaceChild(change.node.create(), node)
          break
        case StateEnums.Move:
          let fromNode = node.childNodes[change.from]
          let toNode = node.childNodes[change.to]
          let cloneFromNode = fromNode.cloneNode(true)
          let cloenToNode = toNode.cloneNode(true)
          node.replaceChild(cloneFromNode, toNode)
          node.replaceChild(cloenToNode, fromNode)
          break
        default:
          break
      }
    })
}
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最后

Virtual Dom 算法的实现也就是以下三步

  1. 通过 JS 来模拟创建 DOM 对象
  2. 判断两个对象的差异
  3. 渲染差异
let test4 = new Element('div', { class: 'my-div' }, ['test4'])
let test5 = new Element('ul', { class: 'my-div' }, ['test5'])

let test1 = new Element('div', { class: 'my-div' }, [test4])

let test2 = new Element('div', { id: '11' }, [test5, test4])

let root = test1.render()

let pathchs = diff(test1, test2)
console.log(pathchs)

setTimeout(() => {
  console.log('开始更新')
  patch(root, pathchs)
  console.log('结束更新')
}, 1000)
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当然目前的实现还略显粗糙,但是对于理解 Virtual Dom 算法来说已经是完全足够的了。

文章中的代码你可以在 这里 阅读。本系列更新的文章都会更新在这个仓库中,有兴趣的可以关注下。

下篇文章的内容将会是状态管理,敬请期待。

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