virtual dom 原理

聲明：本文copy自深度剖析：如何實(shí)現(xiàn)一個 Virtual DOM 算法-戴嘉華，留做記錄已做日后溫習(xí)

目錄：

  • 1 前言
  • 2 對前端應(yīng)用狀態(tài)管理思考
  • 3 Virtual DOM 算法
  • 4 算法實(shí)現(xiàn)
    • 4.1 步驟一：用JS對象模擬DOM樹
    • 4.2 步驟二：比較兩棵虛擬DOM樹的差異
    • 4.3 步驟三：把差異應(yīng)用到真正的DOM樹上
  • 5 結(jié)語
  • 6 References

1 前言

本文會在教你怎么用 300~400 行代碼實(shí)現(xiàn)一個基本的 Virtual DOM 算法，并且嘗試盡量把 Virtual DOM 的算法思路闡述清楚。希望在閱讀本文后，能讓你深入理解 Virtual DOM 算法，給你現(xiàn)有前端的編程提供一些新的思考。

本文所實(shí)現(xiàn)的完整代碼存放在 Github。

2 對前端應(yīng)用狀態(tài)管理的思考

假如現(xiàn)在你需要寫一個像下面一樣的表格的應(yīng)用程序，這個表格可以根據(jù)不同的字段進(jìn)行升序或者降序的展示。

這個應(yīng)用程序看起來很簡單，你可以想出好幾種不同的方式來寫。最容易想到的可能是，在你的 JavaScript 代碼里面存儲這樣的數(shù)據(jù)：

var sortKey = "new" // 排序的字段，新增（new）、取消（cancel）、凈關(guān)注（gain）、累積（cumulate）人數(shù)
var sortType = 1 // 升序還是逆序
var data = [{...}, {...}, {..}, ..] // 表格數(shù)據(jù)

用三個字段分別存儲當(dāng)前排序的字段、排序方向、還有表格數(shù)據(jù)；然后給表格頭部加點(diǎn)擊事件：當(dāng)用戶點(diǎn)擊特定的字段的時候，根據(jù)上面幾個字段存儲的內(nèi)容來對內(nèi)容進(jìn)行排序，然后用 JS 或者 jQuery 操作 DOM，更新頁面的排序狀態(tài)（表頭的那幾個箭頭表示當(dāng)前排序狀態(tài)，也需要更新）和表格內(nèi)容。

這樣做會導(dǎo)致的后果就是，隨著應(yīng)用程序越來越復(fù)雜，需要在JS里面維護(hù)的字段也越來越多，需要監(jiān)聽事件和在事件回調(diào)用更新頁面的DOM操作也越來越多，應(yīng)用程序會變得非常難維護(hù)。后來人們使用了 MVC、MVP 的架構(gòu)模式，希望能從代碼組織方式來降低維護(hù)這種復(fù)雜應(yīng)用程序的難度。但是 MVC 架構(gòu)沒辦法減少你所維護(hù)的狀態(tài)，也沒有降低狀態(tài)更新你需要對頁面的更新操作（前端來說就是DOM操作），你需要操作的DOM還是需要操作，只是換了個地方。

既然狀態(tài)改變了要操作相應(yīng)的DOM元素，為什么不做一個東西可以讓視圖和狀態(tài)進(jìn)行綁定，狀態(tài)變更了視圖自動變更，就不用手動更新頁面了。這就是后來人們想出了 MVVM 模式，只要在模版中聲明視圖組件是和什么狀態(tài)進(jìn)行綁定的，雙向綁定引擎就會在狀態(tài)更新的時候自動更新視圖（關(guān)于MV*模式的內(nèi)容，可以看這篇介紹）。

MVVM 可以很好的降低我們維護(hù)狀態(tài) -> 視圖的復(fù)雜程度（大大減少代碼中的視圖更新邏輯）。但是這不是唯一的辦法，還有一個非常直觀的方法，可以大大降低視圖更新的操作：一旦狀態(tài)發(fā)生了變化，就用模版引擎重新渲染整個視圖，然后用新的視圖更換掉舊的視圖。就像上面的表格，當(dāng)用戶點(diǎn)擊的時候，還是在JS里面更新狀態(tài)，但是頁面更新就不用手動操作 DOM 了，直接把整個表格用模版引擎重新渲染一遍，然后設(shè)置一下innerHTML就完事了。

聽到這樣的做法，經(jīng)驗(yàn)豐富的你一定第一時間意識這樣的做法會導(dǎo)致很多的問題。最大的問題就是這樣做會很慢，因?yàn)榧词挂粋€小小的狀態(tài)變更都要重新構(gòu)造整棵 DOM，性價(jià)比太低；而且這樣做的話，input和textarea的會失去原有的焦點(diǎn)。最后的結(jié)論會是：對于局部的小視圖的更新，沒有問題（Backbone就是這么干的）；但是對于大型視圖，如全局應(yīng)用狀態(tài)變更的時候，需要更新頁面較多局部視圖的時候，這樣的做法不可取。

但是這里要明白和記住這種做法，因?yàn)楹竺婺銜l(fā)現(xiàn)，其實(shí) Virtual DOM 就是這么做的，只是加了一些特別的步驟來避免了整棵 DOM 樹變更。

另外一點(diǎn)需要注意的就是，上面提供的幾種方法，其實(shí)都在解決同一個問題：維護(hù)狀態(tài)，更新視圖。在一般的應(yīng)用當(dāng)中，如果能夠很好方案來應(yīng)對這個問題，那么就幾乎降低了大部分復(fù)雜性。

3 Virtual DOM算法

DOM是很慢的。如果我們把一個簡單的div元素的屬性都打印出來，你會看到：

而這僅僅是第一層。真正的 DOM 元素非常龐大，這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)就是這么設(shè)計(jì)的。而且操作它們的時候你要小心翼翼，輕微的觸碰可能就會導(dǎo)致頁面重排，這可是殺死性能的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

相對于 DOM 對象，原生的 JavaScript 對象處理起來更快，而且更簡單。DOM 樹上的結(jié)構(gòu)、屬性信息我們都可以很容易地用 JavaScript 對象表示出來：

var element = {
  tagName: 'ul', // 節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽名
  props: { // DOM的屬性，用一個對象存儲鍵值對
    id: 'list'
  },
  children: [ // 該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)
    {tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 1"]},
    {tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 2"]},
    {tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 3"]},
  ]
}

上面對應(yīng)的HTML寫法是：

<ul id='list'>
  <li class='item'>Item 1</li>
  <li class='item'>Item 2</li>
  <li class='item'>Item 3</li>
</ul>

既然原來 DOM 樹的信息都可以用 JavaScript 對象來表示，反過來，你就可以根據(jù)這個用 JavaScript 對象表示的樹結(jié)構(gòu)來構(gòu)建一棵真正的DOM樹。

之前的章節(jié)所說的，狀態(tài)變更->重新渲染整個視圖的方式可以稍微修改一下：用 JavaScript 對象表示 DOM 信息和結(jié)構(gòu)，當(dāng)狀態(tài)變更的時候，重新渲染這個 JavaScript 的對象結(jié)構(gòu)。當(dāng)然這樣做其實(shí)沒什么卵用，因?yàn)檎嬲捻撁嫫鋵?shí)沒有改變。

但是可以用新渲染的對象樹去和舊的樹進(jìn)行對比，記錄這兩棵樹差異。記錄下來的不同就是我們需要對頁面真正的 DOM 操作，然后把它們應(yīng)用在真正的 DOM 樹上，頁面就變更了。這樣就可以做到：視圖的結(jié)構(gòu)確實(shí)是整個全新渲染了，但是最后操作DOM的時候確實(shí)只變更有不同的地方。

這就是所謂的 Virtual DOM 算法。包括幾個步驟：

  1. 用 JavaScript 對象結(jié)構(gòu)表示 DOM 樹的結(jié)構(gòu)；然后用這個樹構(gòu)建一個真正的 DOM 樹，插到文檔當(dāng)中
  2. 當(dāng)狀態(tài)變更的時候，重新構(gòu)造一棵新的對象樹。然后用新的樹和舊的樹進(jìn)行比較，記錄兩棵樹差異
  3. 把2所記錄的差異應(yīng)用到步驟1所構(gòu)建的真正的DOM樹上，視圖就更新了

Virtual DOM 本質(zhì)上就是在 JS 和 DOM 之間做了一個緩存?？梢灶惐?CPU 和硬盤，既然硬盤這么慢，我們就在它們之間加個緩存：既然 DOM 這么慢，我們就在它們 JS 和 DOM 之間加個緩存。CPU（JS）只操作內(nèi)存（Virtual DOM），最后的時候再把變更寫入硬盤（DOM）。

4 算法實(shí)現(xiàn)

4.1 步驟一：用JS對象模擬DOM樹

用 JavaScript 來表示一個 DOM 節(jié)點(diǎn)是很簡單的事情，你只需要記錄它的節(jié)點(diǎn)類型、屬性，還有子節(jié)點(diǎn)：

element.js

function Element (tagName, props, children) {
  this.tagName = tagName
  this.props = props
  this.children = children
}

module.exports = function (tagName, props, children) {
  return new Element(tagName, props, children)
}

例如上面的 DOM 結(jié)構(gòu)就可以簡單的表示：

var el = require('./element')

var ul = el('ul', {id: 'list'}, [
  el('li', {class: 'item'}, ['Item 1']),
  el('li', {class: 'item'}, ['Item 2']),
  el('li', {class: 'item'}, ['Item 3'])
])

現(xiàn)在ul只是一個 JavaScript 對象表示的 DOM 結(jié)構(gòu)，頁面上并沒有這個結(jié)構(gòu)。我們可以根據(jù)這個ul構(gòu)建真正的<ul>：

Element.prototype.render = function () {
  var el = document.createElement(this.tagName) // 根據(jù)tagName構(gòu)建
  var props = this.props

  for (var propName in props) { // 設(shè)置節(jié)點(diǎn)的DOM屬性
    var propValue = props[propName]
    el.setAttribute(propName, propValue)
  }

  var children = this.children || []

  children.forEach(function (child) {
    var childEl = (child instanceof Element)
      ? child.render() // 如果子節(jié)點(diǎn)也是虛擬DOM，遞歸構(gòu)建DOM節(jié)點(diǎn)
      : document.createTextNode(child) // 如果字符串，只構(gòu)建文本節(jié)點(diǎn)
    el.appendChild(childEl)
  })

  return el
}

render方法會根據(jù)tagName構(gòu)建一個真正的DOM節(jié)點(diǎn)，然后設(shè)置這個節(jié)點(diǎn)的屬性，最后遞歸地把自己的子節(jié)點(diǎn)也構(gòu)建起來。所以只需要：

var ulRoot = ul.render()
document.body.appendChild(ulRoot)

上面的ulRoot是真正的DOM節(jié)點(diǎn)，把它塞入文檔中，這樣body里面就有了真正的<ul>的DOM結(jié)構(gòu)：

<ul id='list'>
  <li class='item'>Item 1</li>
  <li class='item'>Item 2</li>
  <li class='item'>Item 3</li>
</ul>

完整代碼可見 element.js。

4.2 步驟二：比較兩棵虛擬DOM樹的差異

正如你所預(yù)料的，比較兩棵DOM樹的差異是 Virtual DOM 算法最核心的部分，這也是所謂的 Virtual DOM 的 diff 算法。兩個樹的完全的 diff 算法是一個時間復(fù)雜度為 O(n^3) 的問題。但是在前端當(dāng)中，你很少會跨越層級地移動DOM元素。所以 Virtual DOM 只會對同一個層級的元素進(jìn)行對比：

上面的div只會和同一層級的div對比，第二層級的只會跟第二層級對比。這樣算法復(fù)雜度就可以達(dá)到 O(n)。

4.2.1 深度優(yōu)先遍歷，記錄差異

在實(shí)際的代碼中，會對新舊兩棵樹進(jìn)行一個深度優(yōu)先的遍歷，這樣每個節(jié)點(diǎn)都會有一個唯一的標(biāo)記：

在深度優(yōu)先遍歷的時候，每遍歷到一個節(jié)點(diǎn)就把該節(jié)點(diǎn)和新的的樹進(jìn)行對比。如果有差異的話就記錄到一個對象里面。

// diff 函數(shù)，對比兩棵樹
function diff (oldTree, newTree) {
  var index = 0 // 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志
  var patches = {} // 用來記錄每個節(jié)點(diǎn)差異的對象
  dfsWalk(oldTree, newTree, index, patches)
  return patches
}

// 對兩棵樹進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷
function dfsWalk (oldNode, newNode, index, patches) {
  // 對比oldNode和newNode的不同，記錄下來
  patches[index] = [...]

  diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, patches)
}

// 遍歷子節(jié)點(diǎn)
function diffChildren (oldChildren, newChildren, index, patches) {
  var leftNode = null
  var currentNodeIndex = index
  oldChildren.forEach(function (child, i) {
    var newChild = newChildren[i]
    currentNodeIndex = (leftNode && leftNode.count) // 計(jì)算節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識
      ? currentNodeIndex + leftNode.count + 1
      : currentNodeIndex + 1
    dfsWalk(child, newChild, currentNodeIndex, patches) // 深度遍歷子節(jié)點(diǎn)
    leftNode = child
  })
}

例如，上面的div和新的div有差異，當(dāng)前的標(biāo)記是0，那么：

patches[0] = [{difference}, {difference}, ...] // 用數(shù)組存儲新舊節(jié)點(diǎn)的不同

同理p是patches[1]，ul是patches[3]，類推。

4.2.2 差異類型

上面說的節(jié)點(diǎn)的差異指的是什么呢？對 DOM 操作可能會：

  1. 替換掉原來的節(jié)點(diǎn)，例如把上面的div換成了section
  2. 移動、刪除、新增子節(jié)點(diǎn)，例如上面div的子節(jié)點(diǎn)，把p和ul順序互換
  3. 修改了節(jié)點(diǎn)的屬性
  4. 對于文本節(jié)點(diǎn)，文本內(nèi)容可能會改變。例如修改上面的文本節(jié)點(diǎn)2內(nèi)容為Virtual DOM 2。

所以我們定義了幾種差異類型：

var REPLACE = 0
var REORDER = 1
var PROPS = 2
var TEXT = 3

對于節(jié)點(diǎn)替換，很簡單。判斷新舊節(jié)點(diǎn)的tagName和是不是一樣的，如果不一樣的說明需要替換掉。如div換成section，就記錄下：

patches[0] = [{
  type: REPALCE,
  node: newNode // el('section', props, children)
}]

如果給div新增了屬性id為container，就記錄下：

patches[0] = [{
  type: REPALCE,
  node: newNode // el('section', props, children)
}, {
  type: PROPS,
  props: {
    id: "container"
  }
}]

如果是文本節(jié)點(diǎn)，如上面的文本節(jié)點(diǎn)2，就記錄下：

patches[2] = [{
  type: TEXT,
  content: "Virtual DOM2"
}]

那如果把我div的子節(jié)點(diǎn)重新排序呢？例如p, ul, div的順序換成了div, p, ul。這個該怎么對比？如果按照同層級進(jìn)行順序?qū)Ρ鹊脑挘鼈兌紩惶鎿Q掉。如p和div的tagName不同，p會被div所替代。最終，三個節(jié)點(diǎn)都會被替換，這樣DOM開銷就非常大。而實(shí)際上是不需要替換節(jié)點(diǎn)，而只需要經(jīng)過節(jié)點(diǎn)移動就可以達(dá)到，我們只需知道怎么進(jìn)行移動。

這牽涉到兩個列表的對比算法，需要另外起一個小節(jié)來討論。

4.2.3 列表對比算法

假設(shè)現(xiàn)在可以英文字母唯一地標(biāo)識每一個子節(jié)點(diǎn)：

舊的節(jié)點(diǎn)順序：

a b c d e f g h i

現(xiàn)在對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了刪除、插入、移動的操作。新增j節(jié)點(diǎn)，刪除e節(jié)點(diǎn)，移動h節(jié)點(diǎn)：

新的節(jié)點(diǎn)順序：

a b c h d f g i j

現(xiàn)在知道了新舊的順序，求最小的插入、刪除操作（移動可以看成是刪除和插入操作的結(jié)合）。這個問題抽象出來其實(shí)是字符串的最小編輯距離問題（Edition Distance），最常見的解決算法是 Levenshtein Distance，通過動態(tài)規(guī)劃求解，時間復(fù)雜度為 O(M * N)。但是我們并不需要真的達(dá)到最小的操作，我們只需要優(yōu)化一些比較常見的移動情況，犧牲一定DOM操作，讓算法時間復(fù)雜度達(dá)到線性的（O(max(M, N))。具體算法細(xì)節(jié)比較多，這里不累述，有興趣可以參考代碼。

我們能夠獲取到某個父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的操作，就可以記錄下來：

patches[0] = [{
  type: REORDER,
  moves: [{remove or insert}, {remove or insert}, ...]
}]

但是要注意的是，因?yàn)?code>tagName是可重復(fù)的，不能用這個來進(jìn)行對比。所以需要給子節(jié)點(diǎn)加上唯一標(biāo)識key，列表對比的時候，使用key進(jìn)行對比，這樣才能復(fù)用老的 DOM 樹上的節(jié)點(diǎn)。

這樣，我們就可以通過深度優(yōu)先遍歷兩棵樹，每層的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對比，記錄下每個節(jié)點(diǎn)的差異了。完整 diff 算法代碼可見 diff.js。

4.3 步驟三：把差異應(yīng)用到真正的DOM樹上

因?yàn)椴襟E一所構(gòu)建的 JavaScript 對象樹和render出來真正的DOM樹的信息、結(jié)構(gòu)是一樣的。所以我們可以對那棵DOM樹也進(jìn)行深度優(yōu)先的遍歷，遍歷的時候從步驟二生成的patches對象中找出當(dāng)前遍歷的節(jié)點(diǎn)差異，然后進(jìn)行 DOM 操作。

function patch (node, patches) {
  var walker = {index: 0}
  dfsWalk(node, walker, patches)
}

function dfsWalk (node, walker, patches) {
  var currentPatches = patches[walker.index] // 從patches拿出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的差異

  var len = node.childNodes
    ? node.childNodes.length
    : 0
  for (var i = 0; i < len; i++) { // 深度遍歷子節(jié)點(diǎn)
    var child = node.childNodes[i]
    walker.index++
    dfsWalk(child, walker, patches)
  }

  if (currentPatches) {
    applyPatches(node, currentPatches) // 對當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行DOM操作
  }
}

applyPatches，根據(jù)不同類型的差異對當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 DOM 操作：

function applyPatches (node, currentPatches) {
  currentPatches.forEach(function (currentPatch) {
    switch (currentPatch.type) {
      case REPLACE:
        node.parentNode.replaceChild(currentPatch.node.render(), node)
        break
      case REORDER:
        reorderChildren(node, currentPatch.moves)
        break
      case PROPS:
        setProps(node, currentPatch.props)
        break
      case TEXT:
        node.textContent = currentPatch.content
        break
      default:
        throw new Error('Unknown patch type ' + currentPatch.type)
    }
  })
}

完整代碼可見 patch.js。

5 結(jié)語

Virtual DOM 算法主要是實(shí)現(xiàn)上面步驟的三個函數(shù)：element，diff，patch。然后就可以實(shí)際的進(jìn)行使用：

// 1\. 構(gòu)建虛擬DOM
var tree = el('div', {'id': 'container'}, [
    el('h1', {style: 'color: blue'}, ['simple virtal dom']),
    el('p', ['Hello, virtual-dom']),
    el('ul', [el('li')])
])

// 2\. 通過虛擬DOM構(gòu)建真正的DOM
var root = tree.render()
document.body.appendChild(root)

// 3\. 生成新的虛擬DOM
var newTree = el('div', {'id': 'container'}, [
    el('h1', {style: 'color: red'}, ['simple virtal dom']),
    el('p', ['Hello, virtual-dom']),
    el('ul', [el('li'), el('li')])
])

// 4\. 比較兩棵虛擬DOM樹的不同
var patches = diff(tree, newTree)

// 5\. 在真正的DOM元素上應(yīng)用變更
patch(root, patches)

當(dāng)然這是非常粗糙的實(shí)踐，實(shí)際中還需要處理事件監(jiān)聽等；生成虛擬 DOM 的時候也可以加入 JSX 語法。這些事情都做了的話，就可以構(gòu)造一個簡單的ReactJS了。

本文所實(shí)現(xiàn)的完整代碼存放在 Github，僅供學(xué)習(xí)。

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