了不起的Virtual DOM(二): 使用TypeScript开发简易Virtual DOM库

请叫我王磊同学
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前言

  首先欢迎大家关注、点赞、收藏我的掘金账号和Github博客，也算是对我的一点鼓励，毕竟写东西没法获得变现，能坚持下去也是靠的是自己的热情和大家的鼓励。之前的文章我们介绍了MV*框架的历史以及React引入Virtual DOM所带来的新的解决思路，俗话说，百闻不如一见，百见不如一干。这篇文章我们将尝试使用去实现一个Virtual DOM的最小化实现方案，因为最近刚学了TypeScript，正好拿来练手。源码地址将在文章最后附录。   

回顾

  无论是MVC模式还是后来改进的MVP模式以及目前更为常见的MVVM模式，其目的都是为了解决Model层和View如何连接，通过采用各种中间层(Controller、Presenter、View of Model)协调View与Model的关系。但是React所倡导的Virtual DOM方案却剑走偏锋，即每次Model层的变化都会重新渲染View层，那么作为开发者而言，只需要处理好数据和视图映射，从而将我们的关注重点集中于数据和数据流的变化，从而极大的降低开发关注度。

  实际上我们都知道浏览器对DOM的操作所带来的渲染重绘相比于JavaScript计算速度肯定是慢上好几个数量级的。假设仅仅只是页面中一个数据的变化就重绘整个页面，那肯定是我们所不能接受的。借鉴计算机学科中最常用的Cache思想，我们在低速的DOM操作和高速的JavaScript执行之间引入了Virtual DOM，通过对比两个Virtual DOM节点的变化，找出其中的变化，从而精准地修改DOM节点，在实现思路的同时尽可能地降低操作代价，达到良好的性能体验。

  众所周知，把大象装到冰箱需要三步，那么实现一个Virtual DOM库需要几步呢？

  上图就是我们要实现Virtual DOM的基本流程：

  • 创建Virtual DOM节点
  • 渲染Virtual DOM树
  • Diff算法比较两个Virtual DOM树，得到结果Patch
  • 应用Patch，更新DOM树

  上面的四个步骤也就基本对应着我们所要实现Virtual DOM的四个函数:

  • createElement
  • render
  • diff
  • applyDiff

  乍一看想要实现Virtual DOM库可能感觉颇有难度，但是经过仔细的分析，其实将问题转化成实现四个特定功能的函数。其实这种思维方式在我们软件开发中还是非常的实用的，当目标过大而无从下手时，要学会将目标合理拆分。React所倡导的前端组件化其实就包含这个思想，组件化最重要的两个特点就是：复用和分治，我们往往过于强调复用的特性。其实相比复用，分治才是组件化的精髓，我们通过划分组件，往往使得特定组件仅具有相对较为简单的职责功能，然后通过组合简单的组件成为复杂的功能。相比而言，维护功能职责简单的组件更为容易，也不容易出错。接下来我们要做的就是一步步实现各个函数功能，最终实现一个简单的Virtural DOM库。

创建Virtual DOM节点

  在此之前，我们首先简要介绍JSX的作用，由React发扬光大的JSX语法使得我们更为方便的在JavaScript中创建HTML，描述UI界面。JSX语法并不是某个库所独有的，而是一种JavaScript函数调用的语法糖，JSX其实相当于JavaScript + HTML(也被称为hyperscript，即hyper + script，hyper是HyperText超文本的简写，而script是JavaScript的简写)。在React中，JSX语法都会转化成React.createElement调用，而在Preact中，JSX语法则会被转成preact.h函数调用。

例如在React中：

<ul>
    <li>列表1</li>
    <li>列表2</li>
    <li>列表3</li>
</ul>

则会被转化为：

React.createElement(
    'ul',
    null,
    React.createElement('li', null, '列表1'),
    React.createElement('li', null, '列表2'),
    React.createElement('li', null, '列表3')
);

  其中createElement的参数依次是元素类型、属性、以及子元素。类型元素可以分为三种，依次是：字符串、函数、类，依次对应于HTML固有元素、无状态函数组件 (SFC)、类组件。本篇文章重点只在于阐释Virtual DOM基本原理，因此简单起见，我们仅支持HTML固有元素，暂不支持无状态函数组件 (SFC)和类组件。

  JSX可以根据使用的框架编译成不同的函数调用，例如React的React.createElement或者Preact的h，我们可以通过在JSX上添加编译注释(Pragma)来局部改变，例如：

/** @jsx h */
let dom = <div id="foo">Hello!</div>;

  通过为JSX添加注释@jsx(这也被成为Pragma，即编译注释)，可以使得Babel在转化JSX代码时，将其装换成函数h的调用。当然，也可以在工程全局进行配置，比如我们可以在Babel6中的.babelrc文件中设置:

{
  "plugins": [
    ["transform-react-jsx", { "pragma":"h" }]
  ]
}

  这样工程中所有用到JSX的地方都是被Babel转化成使用h函数的调用。在TypeScript中我们可以通过更改配置文件tsconfig.json中的jsxFactory来控制JSX的编译，具体可参照TypeScript中关于JSX的文档，不再此处赘述。

  根据Virtual DOM节点的特点，我们给出Virtual DOM节点类描述:

// 类型别名
type TagNameType = string;

type KeyType = string | number | null;

interface PropsType {
    key?: string | number;
    [prop: string]: any;
}

// 类
class VNode {
    // 节点类型
    public tagName: TagNameType;
    // 属性
    public props: PropsType;
    // key
    public key? : KeyType;
    // 子元素
    public children: (VNode | string)[];

    public constructor(tagName: TagNameType) {
        this.tagName = tagName;
        this.key = null;
        this.children = [];
        this.props = {};
    }
}

  其中tagName为元素类型，例如：div、p。因为我们暂时仅支持HTML固有元素，因此TagNameType是字符串类型。props为元素属性，在接口PropsType我们规定属性中的key值必须为number或者string或者null(null不传key属性)，如果对key有不明白的同学，欢迎大家阅读我之前的文章：React技术内幕:key带来了什么。

  接下来让我们看一下createElement函数的定义：

function createElement(tagName: TagNameType, props: PropsType, ...children: any[]) {

    let key: KeyType = null;

    if (isNotNull(props)) {

        if (isKey(props.key)) {
            key = props.key!;
            delete props.key;
        }

        if (isNotNull(props.children)) {
            children.push(props.children);
            delete props.children;
        }
    }

    const node = new VNode(tagName);
    node.children = flatten(children);
    node.key = key;
    node.props = isNotNull(props) ? props : {};
    return node;
}

  如果props中含有key属性，则会将其从props中删除，单独赋值给VNode的key属性，而处理props中的children属性主要目的是为了处理以下情况通过props中的children属性直接传递子元素。而对children调用flatten主要是为了处理：

const dom = (
    <ul>
    {
        Array.from({length: 3}).map((val, index)=>{
            return (<li key={index}>列表</li>)
        })
    }
    </ul>
);

  在这种情况下createElement中的chilren[0]是子元素数组，因此我们使用flatten函数将其处理普通的子元素数组。

  通过createElement函数我们就可以将JSX转化成Virtual DOM节点，写个单元测试验证一下是否正确：

describe('createElement', () => {
    test('多个子元素-数组形式', () => {
        const dom = (
            <ul>
                {
                    Array.from({ length: 2 }).map((val, index) => {
                        return <li key={index}></li>;
                    })
                }
            </ul>
        );
        const ul = new VNode('ul');
        ul.children = Array.from({ length: 2 }).map((val, index) => {
            const li = new VNode('li');
            li.key = index;
            return li;
        });
        expect(dom).toEqual(ul);
    });
});

  运行一下，Bingo，测试通过。

渲染Virtual DOM树

  将Virtual DOM树渲染成真实DOM函数也并不复杂：

const renderDOM = function (vnode: VNodeChildType) {

    if (isVNode(vnode)) {
        let node = document.createElement(vnode.tagName);
        // 设置元素属性
        for (const prop of Object.keys(vnode.props)) {
            let value = vnode.props[prop];
            if (prop === 'style') {
                value = transformStyleToString(value);
            }
            node.setAttribute(prop, value);
        }

        for (const child of vnode.children) {
            node.appendChild(renderDOM(child));
        }

        return node;
    }

    if (typeof vnode === 'number') {
        return document.createTextNode(String(vnode));
    }
    return document.createTextNode(vnode);

};

const render = function (vnode: VNode, root: HTMLElement) {
    const dom = renderDOM(vnode);
    root.appendChild(dom);
    return dom;
}

  其中逻辑并不复杂，只需要特殊提及一点，元素中style属性较为特殊，style属性用来通过CSS为元素指定样式。在通过getAttribute()访问时，返回的style特性值中包含的是CSS文本，而通过属性来访问它则会返回一个对象。因此在这里我们通过setAttribute函数设置元素样式前，通过transformStyleToString函数将样式从对象改变为字符串类型，并且将驼峰式的样式属性转化为普通的CSS样式属性，具体可见函数定义：

const transformStyleToString = function (style) {
    // 若是文本类型则直接返回
    if (isString(style)) {
        return style;
    }
    // 若是对象类型则转为字符串
    if (isObject(style)) {
        return Object.keys(style).reduce((acc, key) => {
            let cssKey = key.replace(/[A-Z]/g, match => `-${match.toLowerCase()}`);
            return acc + `${cssKey}: ${style[key]};`;
        }, '');
    }
    return '';
};

Diff算法

  Diff算法可能是Virtual DOM中相对较为复杂的部分，当然我们只是为了实现一个简易的Virtual DOM系统，并不需要过于复杂的实现，下面只是我自己的一种实现策略，并不具有普遍性。Diff算法目的是为了比较两棵Virtual DOM树的差异，传统diff算法的复杂度为 O(n^3)，实际上前端DOM树结构具有其自身的特定，因此衍生了各种各样的启发式算法，并将Diff算法的时间复杂度降低到O(n)。

  所谓的启发式算法是指：在解决问题时所采取的一种根据经验规则进行发现的方法。其特点是在解决问题时，利用过去的经验，选择已经行之有效的方法，而不是系统地、以确定的步骤去寻求答案。而在Diff中启发式算法主要是依赖于下列条件：

  • 同级比较
  • 同元素比较
  • 子元素比较

同级比较

  同级比较是指，我们仅会对比同一层次的节点，而忽略跨层级的DOM移动操作。对于同一层次节点的增加和删除，我们则不会进一步比较其子节点，这样只需要对树遍历一遍即可。

  以上图为例，父节点从ul变为p节点，即使ul大部分节点也可以重用，但我们并不会跨层级比较，因此我们会重新渲染div及其子节点。

同元素比较

  同元素比较是指，当遇到元素类型变化时，不会比较两个组件的不同，直接创建新的元素。

  以上图为例，父节点从ul变为ol节点，即使ul子节点并未发生改变，但我们认为元素类型从ul改变为ol，虽然子节点未发生改变，我们并不会比较子节点，直接创建新的节点。

子元素比较

  子元素比较是指，当节点处于同一层级时，我们认为存在以下的节点操作：

  • 插入节点(INSERT_MARKUP)
  • 删除节点(REMOVE_NODE)
  • 移动节点(MOVE_EXISTING)

  以上图为例，假设之前的Virtual DOM树为Old Tree。

  当比较第一个子元素div时，因为New Tree中的div与同位置Old Tree中的div节点类型一致，则我们认为前后变化中对应位置的节点仍是同一个，则我们会继续比较节点属性及其及其子节点。

  当比较第二个子元素时，因为p节点含有key属性，且key = 2的节点也存在于Old Tree，并且前后两个key = 2的节点类型是一致的，因此我们认为New Tree中key = 2的p元素是由Old Tree中第三个子元素移动(MOVE_EXISTING)而来。

  当比较第三个子元素时，因为p节点含有key = 3且Old Tree中并不含有key = 3的同类型节点，则我们认为改节点属于插入节点(INSERT_MARKUP)。

  当我们比较a元素的子节点时，因为New Tree中已经不存在该位置的节点，因此我们认为改节点属于删除节点(REMOVE_NODE)。

Patch

  当比较两棵Virtual DOM树时，我们需要记录两棵Virtual DOM树的区别，我们将其称为Patch，因为我们需要记录的是树节点的差异，因此我们也可以将Patch同类化一个树结构。根据Patch类特点，我们给Patch类的定义:

class Patch {
    // 节点变化类型
    public types: OPERATOR_TYPE[];
    // 子元素Patch集合
    public children: Patch[];
    // 存储带渲染的新节点
    public node: VNode | string | null;
    // 存储属性改变
    public modifyProps: ModifyProps[];
    // 文本改变
    public modifyString: string;
    // 节点移动，搭配`MOVE_EXISTING`使用
    public removeIndex: number;

    public constructor(types?: (OPERATOR_TYPE | OPERATOR_TYPE[])) {
        this.types = [];
        this.children = [];
        this.node = null;
        this.modifyProps = [];
        this.modifyString = '';
        this.removeIndex = 0;

        if (types) {
            types instanceof Array ? this.types.push(...types) : this.types.push(types);
        }
    }
    
    // 省略类方法实现
    // addType
    // addModifyProps
    // addChildPatch
    // setNode
    // setModifyString
    // setRemoveIndex
}

  其中types属性用于存储变化类型，注意同一个Patch可能存在多种变化类型，因此我们使用数组存储。Patch存在以下几种类型：

export const enum OPERATOR_TYPE {
    INSERT_MARKUP,
    MOVE_EXISTING,
    REMOVE_NODE,
    PROPS_CHANG,
    TEXT_CHANGE
}

  其中INSERT_MARKUP、MOVE_EXISTING、REMOVE_NODE我们都已经介绍过，而PROPS_CHANG表示节点属性发生改变，例如id属性变化。而TEXT_CHANGE适用于文本节点，表示文本节点内容发生改变。例如文本节点内容从Hello!改变为Hello World。

  node属性用于存储待渲染的节点类型类型，搭配INSERT_MARKUP使用。removeIndex属性表示当前节点是从同层序号节点位置移动而来，搭配MOVE_EXISTING使用。modifyString表示文本节点变化后的内容，搭配TEXT_CHANGE使用。modifyProps表示属性改变的数组，搭配PROPS_CHANGE使用。其中ModifyProps接口描述为:

const enum PROP_TYPE {
    ADD, // 新增属性
    DELETE, // 删除属性
    MODIFY // 属性改变
}

interface ModifyProps {
    type: PROP_TYPE;
    key?: string;
    value?: any;
}

  完事具备，让我们开始实现diff函数

Diff函数简要实现

// 用于返回子元素数组NodeList中key-node集合(Map)
function getChildrenKeyMap(children: VNodeChildType[]) {
    let map = new Map();
    each(children, child => {
        if (isVNode(child) && isKey(child.key)) {
            map.set(child.key, child);
        }
    });
    return map;
}

// 返回给定key值对应节点所在位置
function getChildIndexByKey(children: VNodeChildType[], key) {
    return findIndex(children, child => (isVNode(child) && child.key === key));
}

function diffProps(preProps: PropsType, nextProps: PropsType) {
    // return [...addPropResult, ...deletePropResult, ...modifyPropResult];
    // 返回Props比较数组结果，如果不存在Props变化则返回空数组。
}

function diff(preNode: VNode | null, nextNode: VNode) {

    const patch = new Patch();

    // 若节点类型不一致或者之前的元素为空，则直接重新创建该节点及其子节点
    if (preNode === null || preNode.tagName !== nextNode.tagName) {
        return patch.addType(OPERATOR_TYPE.INSERT_MARKUP).setNode(nextNode);
    }

    // 前后两个虚拟节点类型一致，则需要比较属性是否一致
    const propsCompareResult = diffProps(preNode.props, nextNode.props);

    if (isNotEmptyArray(propsCompareResult)) {
        patch.addType(OPERATOR_TYPE.PROPS_CHANGE).addModifyProps(propsCompareResult);
    }

    // 如果上一个子元素不为空，且下一个子元素全为空，则需要清除所有子元素
    if (isEmptyArray(nextNode.children) && isNotEmptyArray(preNode.children)) {
        return patch.addChildPatch(preNode.children.map(() => new Patch(OPERATOR_TYPE.REMOVE_NODE)));
    }

    const preChildrenKeyMap = getChildrenKeyMap(preNode.children);

    // 遍历处理子元素
    each(nextNode.children, (child, index) => {
        const nextChild = child;
        const preChild = isNotNull(preNode.children[index]) ? preNode.children[index] : null;

        // 如果当前子节点是字符串类型
        if (isString(nextChild)) {
            // 之前对应节点也是字符串
            if (isString(preChild)) {
                if (nextChild === preChild) {
                    return patch.addChildPatch(new Patch());
                } else {
                    return patch.addChildPatch((new Patch(OPERATOR_TYPE.TEXT_CHANGE).setModifyString(nextChild)));
                }
            } else {
                // 之前对应节点不是字符串，则需要创建新的节点
                return patch.addChildPatch((new Patch(OPERATOR_TYPE.INSERT_MARKUP)).setNode(nextChild));
            }
        }

        // 若当前的子节点中存在key属性
        if (isVNode(nextChild) && isKey(nextChild.key)) {
            // 如果上一个同层虚拟DOM节点中存在相同key且元素类型相同的节点
            if (preChildrenKeyMap.has(nextChild.key) && preChildrenKeyMap.get(nextChild.key).tagName === nextChild.tagName) {
                // 如果前后两个元素的key值和元素类型相等
                const preSameKeyChild = preChildrenKeyMap.get(nextChild.key);
                const sameKeyIndex = getChildIndexByKey(preNode.children, nextChild.key);
                const childPatch = diff(preSameKeyChild, nextChild);
                if (sameKeyIndex !== index) {
                    childPatch.addType(OPERATOR_TYPE.MOVE_EXISTING).setRemoveIndex(sameKeyIndex);
                }
                return patch.addChildPatch(childPatch);
            } else {
                // 直接创建新的元素
                return patch.addChildPatch((new Patch(OPERATOR_TYPE.INSERT_MARKUP).setNode(nextChild)));
            }
        }

        // 子节点中不存在key属性
        // 若前后相同位置的节点是 非VNode(字符串) 或者 存在key值( nextChild不含有key) 或者是 节点类型不同，则直接创建新节点
        if (!isVNode(preChild) || isKey(preChild.key) || preChild.tagName !== nextChild.tagName) {
            return patch.addChildPatch((new Patch(OPERATOR_TYPE.INSERT_MARKUP)).setNode(nextChild));
        }

        return patch.addChildPatch(diff(preChild, nextChild));
    });

    // 如果存在nextChildren个数少于preChildren，则需要补充删除节点
    if (preNode.children.length > nextNode.children.length) {
        patch.addChildPatch(Array.from({ length: preNode.children.length - nextNode.children.length }, () => new Patch(OPERATOR_TYPE.REMOVE_NODE)));
    }
    return patch;
}

  我们简单举例下图场景，分别给new Tree和old Tree调用diff算法，则会生成图中所示的Patch Tree:

应用Patch更新DOM树

  applyDiff函数的实现则相对要简单的多，我们只要对照Patch Tree，对之前渲染的DOM树进行修改即可。

function applyChildDiff(actualDOM: HTMLElement, patch: Patch) {
    // 因为removeIndex是基于old Tree中的序号位置，因此我们需要提前备份节点节点顺序关系
    const childrenDOM = map(actualDOM.childNodes, child => child);
    const childrenPatch = patch.children;

    for (let index = 0; index < actualDOM.childNodes.length; index++) {
        const childPatch = childrenPatch[index];
        let childDOM = childrenDOM[index];
        if (contains(childPatch.types, OPERATOR_TYPE.MOVE_EXISTING)) {
            const insertDOM = childrenDOM[childPatch.removeIndex];
            actualDOM.insertBefore(insertDOM, childDOM);
            childDOM = insertDOM;
        }
        innerApplyDiff(childDOM, childPatch, actualDOM);
    }
}

function innerApplyDiff(actualDOM: HTMLElement | Text, patch: Patch, parentDOM: HTMLElement) {
    // 处理INSERT_MARKUP，直接创建新节点替换之前节点
    if (contains(patch.types, OPERATOR_TYPE.INSERT_MARKUP)) {
        const replaceDOM = renderDOM(patch.node!);
        parentDOM.replaceChild(replaceDOM, actualDOM);
        return replaceDOM;
    }
    // 处理REMOVE_NODE，直接删除当前节点
    if (contains(patch.types, OPERATOR_TYPE.REMOVE_NODE)) {
        parentDOM.removeChild(actualDOM);
        return null;
    }
    // 处理TEXT_CHANGE
    if (contains(patch.types, OPERATOR_TYPE.TEXT_CHANGE)) {
        actualDOM.nodeValue = patch.modifyString;
        return actualDOM;
    }
    // 处理PROPS_CHANGE
    if (contains(patch.types, OPERATOR_TYPE.PROPS_CHANGE)) {
        each(patch.modifyProps, function (modifyProp) {
            let key = modifyProp.key;
            let value = modifyProp.value;
            switch (modifyProp.type) {
                case PROP_TYPE.ADD:
                case PROP_TYPE.MODIFY:
                    if (key === 'style') {
                        value = transformStyleToString(value);
                    }
                    actualDOM.setAttribute(key, value);
                    break;
                case PROP_TYPE.DELETE:
                    actualDOM.removeAttribute(key);
                    break;
            }
        });
    }

    if (isHTMLElement(actualDOM)) {
        applyChildDiff(actualDOM, patch);
    }

    return actualDOM;
}

function applyDiff (actualDOM: HTMLElement | Text, patch: Patch) {
    if (!(actualDOM.parentNode instanceof HTMLElement)) {
        throw Error('DOM元素未渲染');
    }
    return applyDiff(actualDOM, patch, actualDOM.parentNode);
}

Virtual DOM 使用演示

  现在我们的Virtual DOM库已经基本完成，我们起个名字就叫Vom，让我们尝试使用一下:

import Vom from '../index';

function getRandomArray(length) {
    return Array.from(new Array(length).keys()).sort(() => Math.random() - 0.5);
}

function getRandomColor() {
    const colors = ['blue', 'red', 'green'];
    return colors[(new Date().getSeconds()) % colors.length];
}

function getJSX() {
    return (
        <div>
            <p>这是一个由Vom渲染的界面</p>
            <p>
                <span style={{ color: getRandomColor() }}>现在时间: { Date().toString() }</span>
            </p>
            <p>下面是一个顺序动态变化的有序列表：</p>
            <ul>
                {
                    getRandomArray(10).map((key) => {
                        return <li key={key}>列表序号: {key} </li>;
                    })
                }
            </ul>
        </div>
    );
}

let preNode = getJSX();
let actualDom = Vom.render(preNode, document.body);

setInterval(() => {
    const nextNode = getJSX();
    const patch = Vom.diff(preNode, nextNode);
    actualDom = Vom.applyDiff(actualDom, patch)!;
    preNode = nextNode;
}, 1000);

结尾

  到目前为止我们已经实现一个Virtual DOM的基本功能，本篇文章重点还是在讲述Virtual DOM基本原理，实现方面相对比较简陋，如有不正确之处，望各位见谅。代码已经上传Github:Vom。写作不易，愿大家能多多支持，关注我的Github博客，关注、点赞、收藏 素质三连哦！希望这篇文章能对你有些许帮助，愿共同学习！

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