理解虚拟DOM，自己实现虚拟DOM

Posted 2021-04-13 得着顶尖1德凿成就

1.为什么需要虚拟DOM

DOM是很慢的，其元素非常庞大，页面的性能问题鲜有由JS引起的，大部分都是由DOM操作引起的。如果对前端工作进行抽象的话，主要就是维护状态和更新视图；而更新视图和维护状态都需要DOM操作。近三四年来，前端的框架主要发展方向就是解放DOM操作的复杂性【先是react、后有vue学react的思想也搞了一套】。

在jQuery出现以前，我们直接操作DOM结构，这种方法复杂度高，兼容性也较差；有了jQuery强大的选择器以及高度封装的API，我们可以更方便的操作DOM，jQuery帮我们处理兼容性问题，同时也使DOM操作变得简单；但是聪明的程序员不可能满足于此，各种MVVM框架应运而生，有angularJS、avalon、vue.js等，MVVM使用数据双向绑定，使得我们完全不需要操作DOM了，更新了状态视图会自动更新，更新了视图数据状态也会自动更新，可以说MMVM使得前端的开发效率大幅提升，但是其大量的事件绑定使得其在复杂场景下的执行性能堪忧；有没有一种兼顾开发效率和执行效率的方案呢？ReactJS就是一种不错的方案，虽然其将JS代码和html代码混合在一起的设计有不少争议，但是其引入的Virtual DOM(虚拟DOM)却是得到大家的一致认同的。

2.理解虚拟DOM

虚拟的DOM的核心思想是：对复杂的文档DOM结构，提供一种方便的工具，进行最小化地DOM操作。先别晕，前面这句话也许过于抽象，却基本概况了虚拟DOM的设计思想。后面还会具体bb一下的:

(1) 提供一种方便的工具，使得开发效率得到保证 [关键字：开发]
(2) 保证最小化的DOM操作，使得执行效率得到保证 【关键字：执行】

(1).用JS表示DOM结构

DOM很慢，而javascript很快，用javascript对象可以很容易地表示DOM节点。DOM节点包括标签、属性和子节点，通过VElement表示如下。 代码建议粘贴到网页中试试。

1. //辅助类 Util

2. var util = {};

3. util.type = function(obj) {

4.    return Object.prototype.toString.call(obj).replace(/\[object\s|\]/g, '');

5. }

6. util.isArray = function(list) {

7.    return util.type(list) === 'Array';

8. }

9. util.each = function(array, fn) {

10.    for (var i = 0, len = array.length; i < len; i++) {

11.        fn(array[i], i);

12.    }

13. }

15. //虚拟dom，参数分别为标签名、属性对象、子DOM列表

16. var VElement = function(tagName, props, children) {

17.    //保证只能通过如下方式调用：new VElement

18.    if (!(this instanceof VElement)) {

19.        return new VElement(tagName, props, children);

20.    }

22.    //可以通过只传递tagName和children参数

23.    if (util.isArray(props)) {

24.        children = props;

25.        props = {};

26.    }

28.    //设置虚拟dom的相关属性

29.    this.tagName = tagName;

30.    this.props = props || {};

31.    this.children = children || [];

32.    this.key = props ? props.key : void 666;

33.    var count = 0;

34.    util.each(this.children, function(child, i) {

35.        if (child instanceof VElement) {

36.            count += child.count;

37.        } else {

38.            children[i] = '' + child;

39.        }

40.        count++;

41.    });

42.    this.count = count;

43. }

通过VElement，我们可以很简单地用javascript表示DOM结构。比如

1. var vdom = VElement('div', { 'id': 'container' }, [

2.        VElement('h1', { style: 'color:red' }, ['simple virtual dom']),

3.        VElement('p', ['hello world']),

4.        VElement('ul', [VElement('li', ['item #1']), VElement('li', ['item #2'])]),

5.    ]);

6. console.log(vdom); //看看我产生的对象结构

上面的javascript代码可以用于表示如下DOM结构（后面会说如何根据这个js对象生成下面的dom结构）：

<div id="container">
    <h1 style="color:red">simple virtual dom</h1>
    <p>hello world</p>
    <ul>
        <li>item #1</li>
        <li>item #2</li>
    </ul>   
</div>

同样我们可以很方便地根据虚拟DOM树构建出真实的DOM树。具体思路：根据虚拟DOM节点的属性和子节点递归地构建出真实的DOM树。见如下代码：

1. //辅助类 Util

2. VElement.prototype.render = function() {

3.  //创建标签

4.  var el = document.createElement(this.tagName);

5.  //设置标签的属性

6.  var props = this.props;

7.  for (var propName in props) {

8.      var propValue = props[propName]

9.      util.setAttr(el, propName, propValue);

10.  }

12.  //依次创建子节点的标签

13.  util.each(this.children, function(child) {

14.      //如果子节点仍然为velement，则递归的创建子节点，否则直接创建文本类型节点

15.      var childEl = (child instanceof VElement) ? child.render() : document.createTextNode(child);

16.      el.appendChild(childEl);

17.  });

18.  return el;

19. }

20. //设置属性的工具

21. util.setAttr = function(node, key, value) {

22.    switch (key) {

23.        case 'style':

24.            node.style.cssText = value;

25.            break;

26.        case 'value':

27.            var tagName = node.tagName || '';

28.            tagName = tagName.toLowerCase();

29.            if (tagName === 'input' || tagName === 'textarea') {

30.                node.value = value;

31.            } else {

32.                node.setAttribute(key, value);

33.            }

34.            break;

35.        default:

36.            node.setAttribute(key, value);

37.            break;

38.    }

39. }

41. console.log(vdom.render())

对一个虚拟的DOM对象VElement，调用其原型的render方法，就可以产生一颗真实的DOM树。

console.log(vdom.render())

既然我们可以用JS对象表示DOM结构，那么当数据状态发生变化而需要改变DOM结构时，我们先通过JS对象表示的虚拟DOM计算出实际DOM需要做的最小变动，然后再操作实际DOM，从而避免了粗放式的DOM操作带来的性能问题。

【建议下载完整代码来看，代码不多，包含了下面将要介绍的优化dom操作的方法： https://github.com/foio/vdom-demo 】

(2).比较两棵虚拟DOM树的差异

在用JS对象表示DOM结构后，当页面状态发生变化而需要操作DOM时，我们可以先通过虚拟DOM计算出对真实DOM的最小修改量，然后再修改真实DOM结构(因为真实DOM的操作代价太大)。

如下图所示，两个虚拟DOM之间的差异已经标红：

为了便于说明问题，我当然选取了最简单的DOM结构，两个简单DOM之间的差异似乎是显而易见的，但是真实场景下的DOM结构很复杂，我们必须借助于一个有效的DOM树比较算法。

设计一个diff算法有两个要点：

如何比较两个两棵DOM树
如何记录节点之间的差异

<1> 如何比较两个两棵DOM树

计算两棵树之间差异的常规算法复杂度为O(n3)，一个文档的DOM结构有上百个节点是很正常的情况，这种复杂度无法应用于实际项目。针对前端的具体情况：我们很少跨级别的修改DOM节点，通常是修改节点的属性、调整子节点的顺序、添加子节点等。因此，我们只需要对同级别节点进行比较，避免了diff算法的复杂性。对同级别节点进行比较的常用方法是深度优先遍历：

function diff(oldTree, newTree) {
    //节点的遍历顺序
    var index = 0; 
    //在遍历过程中记录节点的差异
    var patches = {}; 
    //深度优先遍历两棵树
    dfsWalk(oldTree, newTree, index, patches); 
    return patches; 
}

<2>如何记录节点之间的差异

由于我们对DOM树采取的是同级比较，因此节点之间的差异可以归结为4种类型：

修改节点属性, 用PROPS表示
修改节点文本内容, 用TEXT表示
替换原有节点, 用REPLACE表示
调整子节点，包括移动、删除等，用REORDER表示

对于节点之间的差异，我们可以很方便地使用上述四种方式进行记录，比如当旧节点被替换时：

{type:REPLACE,node:newNode}

而当旧节点的属性被修改时：

{type:PROPS,props: newProps}

在深度优先遍历的过程中，每个节点都有一个编号，如果对应的节点有变化，只需要把相应变化的类别记录下来即可。下面是具体实现：

1. function dfsWalk(oldNode, newNode, index, patches) {

2.    var currentPatch = [];

3.    if (newNode === null) {

4.        //依赖listdiff算法进行标记为删除

5.    } else if (util.isString(oldNode) && util.isString(newNode)) {

6.        if (oldNode !== newNode) {

7.            //如果是文本节点则直接替换文本

8.            currentPatch.push({

9.                type: patch.TEXT,

10.                content: newNode

11.            });

12.        }

13.    } else if (oldNode.tagName === newNode.tagName && oldNode.key === newNode.key) {

14.        //节点类型相同

15.        //比较节点的属性是否相同

16.        var propsPatches = diffProps(oldNode, newNode);

17.        if (propsPatches) {

18.            currentPatch.push({

19.                type: patch.PROPS,

20.                props: propsPatches

21.            });

22.        }

23.        //比较子节点是否相同

24.        diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, patches, currentPatch);

25.    } else {

26.        //节点的类型不同，直接替换

27.        currentPatch.push({ type: patch.REPLACE, node: newNode });

28.    }

30.    if (currentPatch.length) {

31.        patches[index] = currentPatch;

32.    }

33. }

比如对上文图中的两颗虚拟DOM树，可以用如下数据结构记录它们之间的变化：

var patches = {
        1:{type:REPLACE,node:newNode}, //h1节点变成h5
        5:{type:REORDER,moves:changObj} //ul新增了子节点li
    }

(3).对真实DOM进行最小化修改

通过虚拟DOM计算出两颗真实DOM树之间的差异后，我们就可以修改真实的DOM结构了。上文深度优先遍历过程产生了用于记录两棵树之间差异的数据结构patches, 通过使用patches我们可以方便对真实DOM做最小化的修改。

1. //将差异应用到真实DOM

2. function applyPatches(node, currentPatches) {

3.    util.each(currentPatches, function(currentPatch) {

4.        switch (currentPatch.type) {

5.            //当修改类型为REPLACE时

6.            case REPLACE:

7.                var newNode = (typeof currentPatch.node === 'String')

8.                 ? document.createTextNode(currentPatch.node)

9.                 : currentPatch.node.render();

10.                node.parentNode.replaceChild(newNode, node);

11.                break;

12.            //当修改类型为REORDER时

13.            case REORDER:

14.                reoderChildren(node, currentPatch.moves);

15.                break;

16.            //当修改类型为PROPS时

17.            case PROPS:

18.                setProps(node, currentPatch.props);

19.                break;

20.            //当修改类型为TEXT时

21.            case TEXT:

22.                if (node.textContent) {

23.                    node.textContent = currentPatch.content;

24.                } else {

25.                    node.nodeValue = currentPatch.content;

26.                }

27.                break;

28.            default:

29.                throw new Error('Unknow patch type ' + currentPatch.type);

30.        }

31.    });

32. }

至此，虚拟DOM的基本原理已经基本讲解完成了；我们也一起实现了一个基本可用的虚拟DOM。