Vue 2.0 的 virtual-dom 实现简析

框架

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2017-12-11

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Vue版本: 2.3.2

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/init.js

    Vue.prototype._init = function () {
        ...
        vm.$mount(vm.$options.el)  
        ...
    }   

实际上是调用了src/core/instance/lifecycle.js中的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,它是在mountComponent中的定义的。

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(src/core/instance/lifecycle.js)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:

   

this is demo

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(src/core/vdom/patch.js)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:

1、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;
2、在vnode没有文本节点的情况下,进入子节点的diff;
3、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;
4、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;
5、若oldCh存在,ch不存在,则删除elm真实节点下的oldCh子节点;
6、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(src/core/vdom/patch.js)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):

1、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;

2、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

3、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;

4、第四轮的diff中,过程同步骤3;

5、第五轮的diff中,同过程1;

6、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(src/core/vdom/patch.js)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。

1、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]
    } 

2、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。





原文链接:https://github.com/DDFE/DDFE-blog/issues/18

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