VUEReact中虚拟DOM（virtual DOM）技术 VNode及diff算法介绍

Posted 2021-04-13 前端之阶

前言

前端主流框架 vue 和 react 中都使用了虚拟DOM（virtual DOM）技术，因为渲染真实DOM的开销是很大的，性能代价昂贵，比如有时候我们修改了某个数据，如果直接渲染到真实dom上会引起整个dom树的重绘和重排，而我们只需要更新修改过的那一小块dom而不要更新整个dom，这时使用diff算法能够帮助我们。那什么是虚拟DOM和diff算法呢？

虚拟DOM和VNode介绍

所谓虚拟DOM，是一个用于表示真实 DOM 结构和属性的 javascript 对象，这个对象用于对比虚拟 DOM 和当前真实 DOM 的差异化，然后进行局部渲染从而实现性能上的优化。在Vue.js 中虚拟 DOM 的 JavaScript 对象就是 VNode。

VNode 表示 虚拟节点 Virtual DOM，为什么叫虚拟节点呢，因为不是真的 DOM 节点。
他只是用 javascript 对象来描述真实 DOM，这么描述，把DOM标签，属性，内容都变成对象的属性。
就像用 JavaScript 对象描述一个人一样：
{sex:'女', name:'voanit', salary:5000,children:null}
过程就是，把你的 template 模板 描述成 VNode，然后一系列操作之后通过 VNode 形成真实DOM进行挂载。

什么用？

1兼容性强，不受执行环境的影响。VNode 因为是 JS 对象，不管 Node 还是 浏览器，都可以统一操作， 从而获得了服务端渲染、原生渲染、手写渲染函数等能力

2减少操作 DOM。任何页面的变化，都只使用 VNode 进行操作对比，只需要在最后一步挂载更新DOM，不需要频繁操作DOM，从而提高页面性能

我们可以做个试验。打印出一个空元素的第一层属性，可以看到标准让元素实现的东西太多了。如果每次都重新生成新的元素，对性能是巨大的浪费。

var mydiv = document.createElement('div');
for(var k in mydiv ){
  console.log(k)
}

virtual dom就是解决这个问题的一个思路，用一个简单的对象去代替复杂的dom对象。
举个简单的例子，我们在body里插入一个class为a的div。

var mydiv = document.createElement('div');
mydiv.className = 'a';
document.body.appendChild(mydiv);

对于这个div我们可以用一个简单的对象mydivVirtual代表它，它存储了对应dom的一些重要参数，在改变dom之前，会先比较相应虚拟dom的数据，如果需要改变，才会将改变应用到真实dom上。

//伪代码
var mydivVirtual = { 
  tagName: 'DIV',
  className: 'a'
};
var newmydivVirtual = {
   tagName: 'DIV',
   className: 'b'
}
if(mydivVirtual.tagName !== newmydivVirtual.tagName || mydivVirtual.className  !== newmydivVirtual.className){
   change(mydiv)
}
// 会执行相应的修改 mydiv.className = 'b';
//最后 <div class='b'></div>

读到这里就会产生一个疑问，为什么不直接修改dom而需要加一层virtual dom呢？
很多时候手工优化dom确实会比virtual dom效率高，对于比较简单的dom结构用手工优化没有问题，但当页面结构很庞大，结构很复杂时，手工优化会花去大量时间，而且可维护性也不高，不能保证每个人都有手工优化的能力。至此，virtual dom的解决方案应运而生，virtual dom很多时候都不是最优的操作，但它具有普适性，在效率、可维护性之间达平衡。

virtual dom 另一个重大意义就是提供一个中间层，js去写ui，ios安卓之类的负责渲染，就像reactNative一样。

分析diff

diff算法源自于：linux的基本命令，对比文本。vue和react的虚拟DOM的diff算法大致相同，其核心是基于两个简单的假设：1. 两个相同的组件产生类似的DOM结构，不同的组件产生不同的DOM结构。2. 同一层级的一组节点，他们可以通过唯一的id进行区分。

例如

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

生成的vdom为：

{
    tag: 'url',
    attrs: {id: 'list'},
    children: [
        {
            tag: 'li',
            attrs:{className:'item'},
            children:['Item 1']
        },
        {
            tag: 'li',
            attrs:{className:'item'},
            children:['Item 2']
        },
    ]
}

比较只会在同层级进行, 不会跨层级比较。

举个形象的例子。

<!-- 之前 -->
<div>           <!-- 层级1 -->
  <p>            <!-- 层级2 -->
    <b> aoy </b>   <!-- 层级3 -->   
    <span>diff</Span>
  </P> 
</div>

<!-- 之后 -->
<div>            <!-- 层级1 -->
  <p>             <!-- 层级2 -->
      <b> aoy </b>        <!-- 层级3 -->
  </p>
  <span>diff</Span>
</div>

我们可能期望将<span>直接移动到<p>的后边，这是最优的操作。但是实际的diff操作是移除<p>里的<span>在创建一个新的<span>插到<p>的后边。
因为新加的<span>在层级2，旧的在层级3，属于不同层级的比较。

源码分析

diff的过程就是调用patch函数，就像打补丁一样修改真实dom。

function patch (oldVnode, vnode) {
    if (sameVnode(oldVnode, vnode)) {
        patchVnode(oldVnode, vnode)
    } else {
        const oEl = oldVnode.el
        let parentEle = api.parentNode(oEl)
        createEle(vnode)
        if (parentEle !== null) {
            api.insertBefore(parentEle, vnode.el, api.nextSibling(oEl))
            api.removeChild(parentEle, oldVnode.el)
            oldVnode = null
        }
    }
    return vnode
}

patch函数有两个参数，vnode和oldVnode，也就是新旧两个虚拟节点。在这之前，我们先了解完整的vnode都有什么属性，举个一个简单的例子:

// body下的 <div id="v" class="classA"><div> 对应的 oldVnode 就是

{
  el:  div  //对真实的节点的引用，本例中就是document.querySelector('#id.classA')
  tagName: 'DIV',   //节点的标签
  sel: 'div#v.classA'  //节点的选择器
  data: null,       // 一个存储节点属性的对象，对应节点的el[prop]属性，例如onclick , style
  children: [], //存储子节点的数组，每个子节点也是vnode结构
  text: null,    //如果是文本节点，对应文本节点的textContent，否则为null
}

需要注意的是，el属性引用的是此 virtual dom对应的真实dom，patch的vnode参数的el最初是null，因为patch之前它还没有对应的真实dom。

来到patch的第一部分，

if (sameVnode(oldVnode, vnode)) {    patchVnode(oldVnode, vnode)}

sameVnode函数就是看这两个节点是否值得比较，代码相当简单：

function sameVnode(oldVnode, vnode){    return vnode.key === oldVnode.key && vnode.sel === oldVnode.sel}

两个vnode的key和sel相同才去比较它们，比如p和span，div.classA和div.classB都被认为是不同结构而不去比较它们。

如果值得比较会执行patchVnode(oldVnode, vnode)，稍后会详细讲patchVnode函数。

当节点不值得比较，进入else中

else {
        const oEl = oldVnode.el
        let parentEle = api.parentNode(oEl)
        createEle(vnode)
        if (parentEle !== null) {
            api.insertBefore(parentEle, vnode.el, api.nextSibling(oEl))
            api.removeChild(parentEle, oldVnode.el)
            oldVnode = null
        }
    }

过程如下：

• 取得oldvnode.el的父节点，parentEle是真实dom

• createEle(vnode)会为vnode创建它的真实dom，令vnode.el =真实dom

• parentEle将新的dom插入，移除旧的dom
  当不值得比较时，新节点直接把老节点整个替换了

最后

return vnode

patch最后会返回vnode，vnode和进入patch之前的不同在哪？
没错，就是vnode.el，唯一的改变就是之前vnode.el = null, 而现在它引用的是对应的真实dom。

var oldVnode = patch (oldVnode, vnode)

至此完成一个patch过程。

patchVnode

两个节点值得比较时，会调用patchVnode函数

patchVnode (oldVnode, vnode) {
    const el = vnode.el = oldVnode.el
    let i, oldCh = oldVnode.children, ch = vnode.children
    if (oldVnode === vnode) return
    if (oldVnode.text !== null && vnode.text !== null && oldVnode.text !== vnode.text) {
        api.setTextContent(el, vnode.text)
    }else {
        updateEle(el, vnode, oldVnode)
        if (oldCh && ch && oldCh !== ch) {
            updateChildren(el, oldCh, ch)
        }else if (ch){
            createEle(vnode) //create el's children dom
        }else if (oldCh){
            api.removeChildren(el)
        }
    }
}

const el = vnode.el = oldVnode.el 这是很重要的一步，让vnode.el引用到现在的真实dom，当el修改时，vnode.el会同步变化。

节点的比较有5种情况

1. if (oldVnode === vnode)，他们的引用一致，可以认为没有变化。

2. if(oldVnode.text !== null && vnode.text !== null && oldVnode.text !== vnode.text)，文本节点的比较，需要修改，则会调用Node.textContent = vnode.text。

3. if( oldCh && ch && oldCh !== ch ), 两个节点都有子节点，而且它们不一样，这样我们会调用updateChildren函数比较子节点，这是diff的核心，后边会讲到。

4. else if (ch)，只有新的节点有子节点，调用createEle(vnode)，vnode.el已经引用了老的dom节点，createEle函数会在老dom节点上添加子节点。

5. else if (oldCh)，新节点没有子节点，老节点有子节点，直接删除老节点。

updateChildren

updateChildren (parentElm, oldCh, newCh) {
    let oldStartIdx = 0, 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
    let idxInOld
    let elmToMove
    let before
    while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {
            if (oldStartVnode == null) {   //对于vnode.key的比较，会把oldVnode = null
                oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx] 
            }else if (oldEndVnode == null) {
                oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
            }else if (newStartVnode == null) {
                newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
            }else if (newEndVnode == null) {
                newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
            }else if (sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
                patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode)
                oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
                newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
            }else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
                patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode)
                oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
                newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
            }else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) {
                patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode)
                api.insertBefore(parentElm, oldStartVnode.el, api.nextSibling(oldEndVnode.el))
                oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
                newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
            }else if (sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) {
                patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode)
                api.insertBefore(parentElm, oldEndVnode.el, oldStartVnode.el)
                oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
                newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
            }else {
               // 使用key时的比较
                if (oldKeyToIdx === undefined) {
                    oldKeyToIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx) // 有key生成index表
                }
                idxInOld = oldKeyToIdx[newStartVnode.key]
                if (!idxInOld) {
                    api.insertBefore(parentElm, createEle(newStartVnode).el, oldStartVnode.el)
                    newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
                }
                else {
                    elmToMove = oldCh[idxInOld]
                    if (elmToMove.sel !== newStartVnode.sel) {
                        api.insertBefore(parentElm, createEle(newStartVnode).el, oldStartVnode.el)
                    }else {
                        patchVnode(elmToMove, newStartVnode)
                        oldCh[idxInOld] = null
                        api.insertBefore(parentElm, elmToMove.el, oldStartVnode.el)
                    }
                    newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
                }
            }
        }
        if (oldStartIdx > oldEndIdx) {
            before = newCh[newEndIdx + 1] == null ? null : newCh[newEndIdx + 1].el
            addVnodes(parentElm, before, newCh, newStartIdx, newEndIdx)
        }else if (newStartIdx > newEndIdx) {
            removeVnodes(parentElm, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
        }
}

代码很密集，为了形象的描述这个过程，可以看看这张图。

image

过程可以概括为：oldCh和newCh各有两个头尾的变量StartIdx和EndIdx，它们的2个变量相互比较，一共有4种比较方式。如果4种比较都没匹配，如果设置了key，就会用key进行比较，在比较的过程中，变量会往中间靠，一旦StartIdx>EndIdx表明oldCh和newCh至少有一个已经遍历完了，就会结束比较。

以上为本期介绍的VNode和diff算法，您可以加我微信拉你进前端大群，关注更多前端知识，一起交流学习！

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