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完美解释 Javascript 响应式编程原理

深入响应式原理 — Vue.js
https://medium.com/vue-mastery/the-best-explanation-of-javascript-reactivity-fea6112dd80d
https://www.vuemastery.com/courses/advanced-components/evan-you-on-proxies/

很多前端 JavaScript 框架,包含但不限于(Angular,React,Vue)都拥有自己的响应式引擎。通过了解响应式变成原理以及具体的实现方式,可以提成对既有响应式框架的高效应用。

响应式系统

我们看一下 Vue 的响应式系统:

<div id="app">
	<div>Price: ${{ price }}</div>
	<div>Total: ${{ price * quantity }}</div>
	<div>Taxes: ${{ totalPriceWithTax }}</div>
<div>
复制代码
<script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/vue"></script>
<script>
	var vm = new Vue({
	  el: '#app',
	  data: {
	    price: 5.00,
	    quantity: 2
	  },
	  computed: {
	    totalPriceWithTax() {
	      return this.price * this.quantity * 1.03
	    }
	  }
	})
</script>
复制代码

Vue 知道每当 price 发生变换时,它做了如下三件事情:

  • 在页面中更新 price 的值。
  • 在页面中重新计算 price * quantity 表达式,并更新。
  • 调用 totalPriceWithTax 方法,并更新。

但是等一下,这里有些疑惑,Vue 是怎么知道 price 更新了呢,如何去追踪更新的具体过程呢?

响应式在原生 JavaScript 中如何实现的呢,我们从声明变量开始吧~

let price = 5
let quantity = 2
let total = price *  quantity // 10 ?
price = 20
console.log(`total is ${total}`) // 10

// 我们想要的 total 值希望是更新后的 40
复制代码

⚠️ 问题

我们需要将 total 的计算过程存起来,这样我们就能够在 price 或者 quantity 变化时运行计算过程。

✅ 方案

首先,我们需要告诉应用程序,“这里有一个关于计算的方法,存起来,我会在数据更新的时候去运行它。“

我们创建一个记录函数并运行它:

let price = 5
let quantity = 2
let total = 0
let target = null

target = () => { total = price * quantity }

record() // 记录我们想要运行的实例 
target() // 运行 total 计算过程
复制代码

简单定义一个 record

let storage = [] // 将 target 函数存在这里
function record () { // target = () => { total = price * quantity }
	storage.push(target)
}
复制代码

我们存储了 target 函数,我们需要运行它,需要顶一个 replay 函数来运行我们记录的函数:

function replay () {
	storage.forEach( run => run() )
}
复制代码

在代码中我们运行:

price = 20
console.log(total) // => 10
replay()
console.log(total) // => 40
复制代码

是不是足够的简单,代码可读性好,并且可以运行多次。FYI,这里用了最基础的方式进行编码,先扫盲。

let price = 5
let quantity = 2
let total = 0
let target = null
let storage = []

target = () => { total = price * quantity }

function record () {
	storage.push(target)
}

function replay () {
	storage.forEach( run => run() )
}

record()
target()

price = 20
console.log(total) // => 10
replay()
console.log(total) // => 40
复制代码

对象化

⚠️ 问题

我们可以不断记录我们需要的 target, 并进行 record,但是我们需要更健壮的模式去扩展我们的应用。也许面向对象的方式可以维护一个 targe 列表,我们用通知的方式进行回调。

✅ 方案 Dependency Class

我们通过一个属于自己的类进行行为的封装,一个标准的依赖类 Dependency Class,实现观察者模式。

如果我们想要创建一个管理依赖的类,标准模式如下:

class Dep { // Stands for dependency 
	constructor () {
	  this.subscribers = [] // 依赖数组,当 notify() 调用时运行
	}

	depend () {
	  if (target && !this.subscribers.includes(target)) {
	    // target 存在并且不存在于依赖数组中,进行依赖注入
	    this.subscribers.push(target)
	  }
	}

	notify () { // 替代之前的 replay 函数
	  this.subscribers.forEach(sub => sub()) // 运行我们的 targets,或者观察者函数
  }
}
复制代码

注意之前替换的方法,storage 替换成了构造函数中的 subscribersrecod 函数替换为 dependreplay 函数替换为 notify

现在在运行:

const dep = new Dep()

let price = 5
let quantity = 2
let total = 0
let target = () => { total = price * quantity }

dep.depend() // 依赖注入
target() // 计算 total

console.log(total) // => 10
price = 20
console.log(total) // => 10
dep.notify()
console.log(total) // => 40
复制代码

工作正常,到这一步感觉奇怪的地方,配置 和 运行 target 的地方。

观察者

⚠️ 问题

之后我们希望能够将 Dep 类应用在每一个变量中,然后优雅地通过匿名函数去观察更新。可能需要一个观察者 watcher 函数去满足这样的行为。

我们需要替换的代码:

target = () => { total = price * quantity }
dep.depend()
target()
复制代码

替换为:

watcher( () => {
  total = price * quantit
})
复制代码

✅ 方案 A Watcher Function

我们先定义一个简单的 watcher 函数:

function watcher (myFunc) {
	target = myFunc // 动态配置 target
	dep.depend() // 依赖注入
	target() // 回调 target 方法
  target = null // 重置 target
}
复制代码

正如你所见, watcher 函数传入一个 myFunc 的形参,配置全局变量 target,调用 dep.depend() 进行依赖注入,回调 target 方法,最后,重置 target

运行一下:

price = 20
console.log(total) // => 10
dep.notify()
console.log(total) // => 40
复制代码

你可能会质疑,为什么我们要对一个全局变量的 target 进行操作,这显得很傻,为什么不用参数传递进行操作呢?文章的最后将揭晓答案,答案也是显而易见的。

数据抽象

⚠️ 问题

我们现在有一个单一的 Dep class,但是我们真正想要的是我们每一个变量都拥有自己的 Dep。让我们先将数据抽象到 properties

let data = { price: 5, quantity: 2 }
复制代码

将设每个属性都有自己的内置 Dep 类

然我我们运行:

watcher( () => {
  total = data.price * data.quantit
})
复制代码

data.price 的 value 开始存取时,我想让关于 price 属性的 Dep 类 push 我们的匿名函数(存储在 target 中)进入 subscriber 数组(通过调用 dep.depend())。而当 quantity 的 value 开始存取时,我们也做同样的事情。

如果我们有其他的匿名函数,假设存取了 data.price,同样的在 price 的 Dep 类中 push 此匿名函数。

当我们想通过 dep.notify() 进行 price 的依赖回调时候。我们想 在 price set 时候让回调执行。在最后我们要达到的效果是:

$ total
10
$ price = 20 // 回调 notify() 函数
$ total
40
复制代码

✅ 方案 Object.defineProperty()

我们需要学习一下关于 Object.defineProperty() - JavaScript | MDN。它允许我们在 property 上定义 getter 和 setter 函数。我们展示一下最基本的用法:

let data = { price: 5, quantity: 2 }

Object.defineProperty(data, 'price', { // 仅定义 price 属性
  get () { // 创建一个 get 方法
    console.log(`I was accessed`)
	},
	set (newVal) { // 创建一个 set 方法
    console.log(`I was changed`)
	}
})

data.price // 回调 get()
// => I was accessed
data.price = 20 // 回调 set()
// => I was changed
复制代码

正如你所见,打印两行 log。然而,这并不能推翻既有功能, get 或者 set 任意的 valueget() 期望返回一个 value,set() 需要持续更新一个值,所以我们加入 internalValue 变量用于存储 price 的值。

let data = { price: 5, quantity: 2 }

let internalValue = data.price // 初始值

Object.defineProperty(data, 'price', { // 仅定义 price 属性
  get () { // 创建一个 get 方法
    console.log(`Getting price: ${internalValue}`)
    return internalValue
	},
	set (newVal) { // 创建一个 set 方法
    console.log(`Setting price: ${newVal}`)
	  internalValue = newVal
	}
})

total = data.price * data.quantity // 回调 get()
// => Getting price: 5
data.price = 20 // 回调 set()
// => Setting price: 20
复制代码

至此,我们有了一个当 get 或者 set 值的时候的通知方法。我们也可以用某种递归可以将此运行在我们的数据队列中?

FYI,Object.keys(data) 返回对象的 key 值列表。

let data = { price: 5, quantity: 2 }

Object.keys(data).forEach(key => {
  let internalValue = data[key]
  Object.defineProperty(data, key, {
	  get () {
      console.log(`Getting ${key}: ${internalValue}`)
      return internalValue
	  },
	  set (newVal) {
      console.log(`Setting ${key}: ${newVal}`)
	    internalValue = newVal
	  }
  })
})

total = data.price * data.quantity
// => Getting price: 5
// => Getting quantity: 2
data.price = 20
// => Setting price: 20
复制代码

CI 集成

将所有的理念集成起来

total = data.price * data.quantity
复制代码

当代码碎片比如 get 函数的运行并且 get 到 price 的值,我们需要 price 记录在匿名函数 function(target) 中,如果 price 变化了,或者 set 了一个新的 value,会触发这个匿名函数并且 get return,它能够知道这里更新了一样。所以我们可以做如下抽象:

  • Get => 记录这个匿名函数,如果值更新了,会运行此匿名函数

  • Set => 运行保存的匿名函数,仅仅改变保存的值。

在我们的 Dep 类的实例中,抽象如下:

  • Price accessed (get) => 回调 dep.depend() 去注入当前的 target

  • Price set => 回调 price 绑定的 dep.notify() ,重新计算所有的 targets

让我们合并这两个理念,生成最终代码:

let data = { price: 5, quantity: 2 }
let target = null

class Dep { // Stands for dependency 
	constructor () {
	  this.subscribers = [] // 依赖数组,当 notify() 调用时运行
	}

	depend () {
	  if (target && !this.subscribers.includes(target)) {
	    // target 存在并且不存在于依赖数组中,进行依赖注入
	    this.subscribers.push(target)
	  }
	}

	notify () { // 替代之前的 replay 函数
	  this.subscribers.forEach(sub => sub()) // 运行我们的 targets,或者观察者函数
  }
}

// 遍历数据的属性
Object.keys(data).forEach(key => {
  let internalValue = data[key]

	// 每个属性都有一个依赖类的实例
  const dep = new Dep()

  Object.defineProperty(data, key, {
	  get () {
      dep.depend()
      return internalValue
	  },
	  set (newVal) {
	    internalValue = newVal
		dep.notify()
	  }
  })
})

// watcher 不再调用 dep.depend
// 在数据 get 方法中运行
function watcher (myFunc) {
	target = myFunce
	target()
	target = null
}

watcher(()=> {
	data.total = data.price * data.quantity
})

data.total
// => 10
data.price = 20
// => 20
data.total
// => 40
data.quantity = 3
// => 3
data.total
// => 60
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这已经达到了我们的期望,pricequantity 都成为响应式的数据了。

Vue 的数据响应图如下:

看到紫色的 Data 数据,里面的 getter 和 setter?是不是很熟悉了。每个组件的实例会有一个 watcher的实例(蓝色圆圈), 从 getter 中收集依赖。然后 setter 会被回调,这里 notifies 通知 watcher 让组件重新渲染。下图是本例抽象的情况:

显然,Vue 的内部转换相对于本例更复杂,但我们已经知道最基本的了。

知识点

  • 如何创建一个 Dep class 并且注入所有的依赖执行(notify)
  • 如何创建一个 watcher 进行代码管理,需要添加一个依赖项目
  • 如何使用 Object.defineProperty() 创建一个 getters 和 setters
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