第293天：React虚拟DOM的理解

Posted 2021-03-30 山科小站

React虚拟DOM的理解

Virtual DOM是一棵以javascript对象作为基础的树，每一个节点可以将其称为VNode，用对象属性来描述节点，实际上它是一层对真实DOM的抽象，最终可以通过渲染操作使这棵树映射到真实环境上，简单来说Virtual DOM就是一个Js对象，是更加轻量级的对DOM的描述，用以表示整个文档。

描述

在浏览器中构建页面时需要使用DOM节点描述整个文档。

<div class="root" name="root">
    <p>1</p>
    <div>11</div>
</div>

如果使用Js对象去描述上述的节点以及文档，那么便类似于下面的样子。

{
    type: "tag",
    tagName: "div",
    attr: {
        className: "root"
        name: "root"
    },
    parent: null,
    children: [{
        type: "tag",
        tagName: "p",
        attr: {},
        parent: {} /* 父节点的引用 */, 
        children: [{
            type: "text",
            tagName: "text",
            parent: {} /* 父节点的引用 */, 
            content: "1"
        }]
    },{
        type: "tag",
        tagName: "div",
        attr: {},
        parent: {} /* 父节点的引用 */, 
        children: [{
            type: "text",
            tagName: "text",
            parent: {} /* 父节点的引用 */, 
            content: "11"
        }]
    }]
}

React中的虚拟DOM

Virtual DOM是一种编程概念，在这个概念里，UI以一种理想化的，或者说虚拟的表现形式被保存于内存中，并通过如ReactDOM等类库使之与真实的DOM同步，这一过程叫做协调。这种方式赋予了React声明式的API，您告诉React希望让UI是什么状态，React就确保DOM匹配该状态，这样可以从属性操作、事件处理和手动DOM更新这些在构建应用程序时必要的操作中解放出来。
与其将Virtual DOM视为一种技术，不如说它是一种模式，人们提到它时经常是要表达不同的东西。在React的世界里，术语Virtual DOM通常与React元素关联在一起，因为它们都是代表了用户界面的对象，而React也使用一个名为fibers的内部对象来存放组件树的附加信息，上述二者也被认为是React中Virtual DOM 实现的一部分。

React中的虚拟DOM的历史

在之前，Facebook是php大户，所以React最开始的灵感就来自于PHP。
在2004年这个时候，大家都还在用PHP的字符串拼接来开发网站。

$str = "<ul>";
foreach ($talks as $talk) {
  $str += "<li>" . $talk->name . "</li>";
}
$str += "</ul>";

这种方式代码写出来不好看不说，还容易造成XSS等安全问题。应对方法是对用户的任何输入都进行转义Escape，但是如果对字符串进行多次转义，那么反转义的次数也必须是相同的，否则会无法得到原内容，如果又不小心把html标签给转义了，那么HTML标签会直接显示给用户，从而导致很差的用户体验。
到了2010年，为了更加高效的编码，同时也避免转义HTML标签的错误，Facebook开发了XHP。XHP是对PHP的语法拓展，它允许开发者直接在PHP中使用HTML标签，而不再使用字符串。

$content = <ul />;
foreach ($talks as $talk) {
  $content->appendChild(<li>{$talk->name}</li>);
}

这样的话，所有HTML标签都使用不同于PHP的语法，我们可以轻易的分辨哪些需要转义哪些不需要转义。不久的后来，Facebook的工程师又发现他们还可以创建自定义标签，而且通过组合自定义标签有助于构建大型应用。
到了2013年，前端工程师Jordan Walke向他的经理提出了一个大胆的想法：把XHP的拓展功能迁移到Js中，首要任务是需要一个拓展来让JS支持XML语法，该拓展称为JSX。因为当时由于Node.js在Facebook已经有很多实践，所以很快就实现了JSX。

const content = (
  <TalkList>
 {talks.map(talk => <Talk talk={talk} />)}
 </TalkList>
);

在这个时候，就有另外一个很棘手的问题，那就是在进行更新的时候，需要去操作DOM，传统 DOM API细节太多，操作复杂，所以就很容易出现Bug，而且代码难以维护。然后就想到了PHP时代的更新机制，每当有数据改变时，只需要跳到一个由PHP全新渲染的新页面即可。从开发者的角度来看的话，这种方式开发应用是非常简单的，因为它不需要担心变更，且界面上用户数据改变时所有内容都是同步的。为此React提出了一个新的思想，即始终整体刷新页面，当发生前后状态变化时，React会自动更新UI，让我们从复杂的UI操作中解放出来，使我们只需关于状态以及最终UI长什么样。这个时候，我只需要关系我的状态(数据是什么)，以及UI长什么样(布局)，不再需要关系操作细节。
这种方式虽然简单粗暴，但是很明显的缺点，就是很慢。另外还有一个问题就是这样无法包含节点的状态，比如它会失去当前聚焦的元素和光标，以及文本选择和页面滚动位置，这些都是页面的当前状态。
为了解决上面说的问题，对于没有改变的DOM节点，让它保持原样不动，仅仅创建并替换变更过的DOM节点，这种方式实现了DOM节点复用Reuse。至此，只要能够识别出哪些节点改变了，那么就可以实现对DOM的更新，于是问题就转化为如何比对两个DOM的差异。说到对比差异，可能很容易想到版本控制git。DOM是树形结构，所以diff算法必须是针对树形结构的，目前已知的完整树形结构的编辑距离diff算法复杂度为O(n^3)。但是时间复杂度O(n^3)太高了，所以Facebook工程师考虑到组件的特殊情况，进行了一些优化与折中，然后将复杂度降低到了O(n)。
DOM是复杂的，对它的操作尤其是查询和创建是非常慢非常耗费资源的。看下面的例子，仅创建一个空白的div，其实例属性就达到294个。

// Chrome v84
const div = document.createElement("div");
let m = 0;
for (let k in div) m++;
console.log(m); // 294

对于DOM这么多属性，其实大部分属性对于做Diff是没有任何用处的，所以如果用更轻量级的Js对象来代替复杂的DOM节点，然后把对DOM的diff操作转移到Js对象，就可以避免大量对DOM的查询操作。这个更轻量级的Js对象就称为Virtual DOM。那么现在的过程就是这样：

• 维护一个使用Js对象表示的Virtual DOM，与真实DOM一一对应。

• 对前后两个Virtual DOM做diff，生成变更Mutation。

• 把变更应用于真实DOM，生成最新的真实DOM。

可以看出，因为要把变更应用到真实DOM上，所以还是避免不了要直接操作DOM，但是React的diff算法会把DOM改动次数降到最低。关于React中的虚拟DOM创建过程可以参考https://github.com/facebook/react/blob/9198a5cec0936a21a5ba194a22fcbac03eba5d1d/packages/react/src/ReactElement.js#L348。

总结

传统前端的编程方式是命令式的，直接操纵DOM，告诉浏览器该怎么干，这样的问题就是，大量的代码被用于操作DOM元素，且代码可读性差，可维护性低。React的出现，将命令式变成了声明式，摒弃了直接操作DOM的细节，只关注数据的变动，DOM操作由框架来完成，从而大幅度提升了代码的可读性和可维护性。
在初期我们可以看到，数据的变动导致整个页面的刷新，这种效率很低，因为可能是局部的数据变化，但是要刷新整个页面，造成了不必要的开销。所以就有了Diff过程，将数据变动前后的DOM结构先进行比较，找出两者的不同处，然后再对不同之处进行更新渲染。但是由于整个DOM结构又太大，所以采用了更轻量级的对DOM的描述—虚拟DOM。
不过需要注意的是，虚拟DOM和Diff算法的出现是为了解决由命令式编程转变为声明式编程、数据驱动后所带来的性能问题的。换句话说，直接操作DOM的性能并不会低于虚拟DOM和Diff算法，甚至还会优于。框架的意义在于为你掩盖底层的DOM操作，让你用更声明式的方式来描述你的目的，从而让你的代码更容易维护，没有任何框架可以比纯手动的优化DOM操作更快，因为框架的DOM操作层需要应对任何上层API可能产生的操作，它的实现必须是普适的。

虚拟DOM优缺点

优点

• Virtual DOM在牺牲(牺牲很关键)部分性能的前提下，增加了可维护性，这也是很多框架的通性。

• 实现了对DOM的集中化操作，在数据改变时先对虚拟DOM进行修改，再反映到真实的DOM，用最小的代价来更新DOM，提高效率。

• 打开了函数式UI编程的大门。

• 可以渲染到DOM以外的端，使得框架跨平台，比如ReactNative，React VR等。

• 可以更好的实现SSR，同构渲染等。

• 组件的高度抽象化。

缺点

• 首次渲染大量DOM时，由于多了一层虚拟DOM的计算，会比innerHTML插入慢。

• 虚拟DOM需要在内存中的维护一份DOM的副本，多占用了部分内存。

• 如果虚拟DOM大量更改，这是合适的。但是单一的、频繁的更新的话，虚拟DOM将会花费更多的时间处理计算的工作。所以如果你有一个DOM节点相对较少页面，用虚拟DOM，它实际上有可能会更慢，但对于大多数单页面应用，这应该都会更快。

每日一题

https://github.com/WindrunnerMax/EveryDay

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/99973075
https://www.jianshu.com/p/e0a3ac85db5c
https://www.jianshu.com/p/9a1d2750457f
https://github.com/livoras/blog/issues/13
https://juejin.cn/post/6844904165026562056
https://juejin.cn/post/6844903640512086029
https://zh-hans.reactjs.org/docs/faq-internals.html#what-is-the-virtual-dom