20min15张图带你吃透Diff算法核心原理

Posted 2022-01-06 沈页

前言

在日常面试中，Diff算法都是绕不过去的一道坎，用最通俗的话，讲最难的知识点一直是我写文章的宗旨，今天我就用通俗的方式来讲解一下Diff算法吧？Lets Go

什么是虚拟DOM

讲Diff算法前，我先给大家讲一讲什么是虚拟DOM吧。这有利于后面大家对Diff算法的理解加深。

虚拟DOM是一个对象，一个什么样的对象呢？一个用来表示真实DOM的对象，要记住这句话。我举个例子，请看以下真实DOM：

<ul id="list">
    <li class="item">哈哈</li>
    <li class="item">呵呵</li>
    <li class="item">嘿嘿</li>
</ul>

对应的虚拟DOM为：

let oldVDOM =  // 旧虚拟DOM
        tagName: 'ul', // 标签名
        props:  // 标签属性
            id: 'list'
        ,
        children: [ // 标签子节点
            
                tagName: 'li', props:  class: 'item' , children: ['哈哈']
            ,
            
                tagName: 'li', props:  class: 'item' , children: ['呵呵']
            ,
            
                tagName: 'li', props:  class: 'item' , children: ['嘿嘿']
            ,
        ]
    

这时候，我修改一个li标签的文本：

<ul id="list">
    <li class="item">哈哈</li>
    <li class="item">呵呵</li>
    <li class="item">林三心哈哈哈哈哈</li> // 修改
</ul>

这时候生成的新虚拟DOM为：

let newVDOM =  // 新虚拟DOM
        tagName: 'ul', // 标签名
        props:  // 标签属性
            id: 'list'
        ,
        children: [ // 标签子节点
            
                tagName: 'li', props:  class: 'item' , children: ['哈哈']
            ,
            
                tagName: 'li', props:  class: 'item' , children: ['呵呵']
            ,
            
                tagName: 'li', props:  class: 'item' , children: ['林三心哈哈哈哈哈']
            ,
        ]
    

这就是咱们平常说的新旧两个虚拟DOM，这个时候的新虚拟DOM是数据的最新状态，那么我们直接拿新虚拟DOM去渲染成真实DOM的话，效率真的会比直接操作真实DOM高吗？那肯定是不会的，看下图：

由上图，一看便知，肯定是第2种方式比较快，因为第1种方式中间还夹着一个虚拟DOM的步骤，所以虚拟DOM比真实DOM快这句话其实是错的，或者说是不严谨的。那正确的说法是什么呢？虚拟DOM算法操作真实DOM，性能高于直接操作真实DOM，虚拟DOM和虚拟DOM算法是两种概念。虚拟DOM算法 = 虚拟DOM + Diff算法

什么是Diff算法

上面咱们说了虚拟DOM，也知道了只有虚拟DOM + Diff算法才能真正的提高性能，那讲完虚拟DOM，我们再来讲讲Diff算法吧，还是上面的例子(这张图被压缩的有点小，大家可以打开看，比较清晰)：

上图中，其实只有一个li标签修改了文本，其他都是不变的，所以没必要所有的节点都要更新，只更新这个li标签就行，Diff算法就是查出这个li标签的算法。

总结：Diff算法是一种对比算法。对比两者是旧虚拟DOM和新虚拟DOM，对比出是哪个虚拟节点更改了，找出这个虚拟节点，并只更新这个虚拟节点所对应的真实节点，而不用更新其他数据没发生改变的节点，实现精准地更新真实DOM，进而提高效率。

使用虚拟DOM算法的损耗计算： 总损耗 = 虚拟DOM增删改+（与Diff算法效率有关）真实DOM差异增删改+（较少的节点）排版与重绘

直接操作真实DOM的损耗计算： 总损耗 = 真实DOM完全增删改+（可能较多的节点）排版与重绘

Diff算法的原理

Diff同层对比

新旧虚拟DOM对比的时候，Diff算法比较只会在同层级进行, 不会跨层级比较。 所以Diff算法是:广度优先算法。 时间复杂度:O(n)

Diff对比流程

当数据改变时，会触发setter，并且通过Dep.notify去通知所有订阅者Watcher，订阅者们就会调用patch方法，给真实DOM打补丁，更新相应的视图。对于这一步不太了解的可以看一下我之前写Vue源码系列

newVnode和oldVnode：同层的新旧虚拟节点

patch方法

这个方法作用就是，对比当前同层的虚拟节点是否为同一种类型的标签(同一类型的标准，下面会讲)：

• 是：继续执行patchVnode方法进行深层比对
• 否：没必要比对了，直接整个节点替换成新虚拟节点

来看看patch的核心原理代码

function patch(oldVnode, newVnode) 
  // 比较是否为一个类型的节点
  if (sameVnode(oldVnode, newVnode)) 
    // 是：继续进行深层比较
    patchVnode(oldVnode, newVnode)
   else 
    // 否
    const oldEl = oldVnode.el // 旧虚拟节点的真实DOM节点
    const parentEle = api.parentNode(oldEl) // 获取父节点
    createEle(newVnode) // 创建新虚拟节点对应的真实DOM节点
    if (parentEle !== null) 
      api.insertBefore(parentEle, vnode.el, api.nextSibling(oEl)) // 将新元素添加进父元素
      api.removeChild(parentEle, oldVnode.el)  // 移除以前的旧元素节点
      // 设置null，释放内存
      oldVnode = null
    
  

  return newVnode

sameVnode方法

patch关键的一步就是sameVnode方法判断是否为同一类型节点，那问题来了，怎么才算是同一类型节点呢？这个类型的标准是什么呢？

咱们来看看sameVnode方法的核心原理代码，就一目了然了

function sameVnode(oldVnode, newVnode) 
  return (
    oldVnode.key === newVnode.key && // key值是否一样
    oldVnode.tagName === newVnode.tagName && // 标签名是否一样
    oldVnode.isComment === newVnode.isComment && // 是否都为注释节点
    isDef(oldVnode.data) === isDef(newVnode.data) && // 是否都定义了data
    sameInputType(oldVnode, newVnode) // 当标签为input时，type必须是否相同
  )

patchVnode方法

这个函数做了以下事情：

• 找到对应的真实DOM，称为el
• 判断newVnode和oldVnode是否指向同一个对象，如果是，那么直接return
• 如果他们都有文本节点并且不相等，那么将el的文本节点设置为newVnode的文本节点。
• 如果oldVnode有子节点而newVnode没有，则删除el的子节点
• 如果oldVnode没有子节点而newVnode有，则将newVnode的子节点真实化之后添加到el
• 如果两者都有子节点，则执行updateChildren函数比较子节点，这一步很重要

function patchVnode(oldVnode, newVnode) 
  const el = newVnode.el = oldVnode.el // 获取真实DOM对象
  // 获取新旧虚拟节点的子节点数组
  const oldCh = oldVnode.children, newCh = newVnode.children
  // 如果新旧虚拟节点是同一个对象，则终止
  if (oldVnode === newVnode) return
  // 如果新旧虚拟节点是文本节点，且文本不一样
  if (oldVnode.text !== null && newVnode.text !== null && oldVnode.text !== newVnode.text) 
    // 则直接将真实DOM中文本更新为新虚拟节点的文本
    api.setTextContent(el, newVnode.text)
   else 
    // 否则

    if (oldCh && newCh && oldCh !== newCh) 
      // 新旧虚拟节点都有子节点，且子节点不一样

      // 对比子节点，并更新
      updateChildren(el, oldCh, newCh)
     else if (newCh) 
      // 新虚拟节点有子节点，旧虚拟节点没有

      // 创建新虚拟节点的子节点，并更新到真实DOM上去
      createEle(newVnode)
     else if (oldCh) 
      // 旧虚拟节点有子节点，新虚拟节点没有

      //直接删除真实DOM里对应的子节点
      api.removeChild(el)
    
  

其他几个点都很好理解，我们详细来讲一下updateChildren

updateChildren方法

这是patchVnode里最重要的一个方法，新旧虚拟节点的子节点对比，就是发生在updateChildren方法中，接下来就结合一些图来讲，让大家更好理解吧

是怎么样一个对比方法呢？就是首尾指针法，新的子节点集合和旧的子节点集合，各有首尾两个指针，举个例子：

<ul>
    <li>a</li>
    <li>b</li>
    <li>c</li>
</ul>

修改数据后

<ul>
    <li>b</li>
    <li>c</li>
    <li>e</li>
    <li>a</li>
</ul>

那么新旧两个子节点集合以及其首尾指针为：

然后会进行互相进行比较，总共有五种比较情况：

• 1、oldS 和 newS 使用sameVnode方法进行比较，sameVnode(oldS, newS)
• 2、oldS 和 newE 使用sameVnode方法进行比较，sameVnode(oldS, newE)
• 3、oldE 和 newS 使用sameVnode方法进行比较，sameVnode(oldE, newS)
• 4、oldE 和 newE 使用sameVnode方法进行比较，sameVnode(oldE, newE)
• 5、如果以上逻辑都匹配不到，再把所有旧子节点的 key 做一个映射到旧节点下标的 key -> index 表，然后用新 vnode 的 key 去找出在旧节点中可以复用的位置。

接下来就以上面代码为例，分析一下比较的过程

分析之前，请大家记住一点，最终的渲染结果都要以newVDOM为准，这也解释了为什么之后的节点移动需要移动到newVDOM所对应的位置

• 第一步

oldS = a, oldE = c
newS = b, newE = a

比较结果：oldS 和 newE 相等，需要把节点a移动到newE所对应的位置，也就是末尾，同时oldS++，newE--

• 第二步

oldS = b, oldE = c
newS = b, newE = e

比较结果：oldS 和 newS相等，需要把节点b移动到newS所对应的位置，同时oldS++,newS++

• 第三步

oldS = c, oldE = c
newS = c, newE = e

比较结果：oldS、oldE 和 newS相等，需要把节点c移动到newS所对应的位置，同时oldS++,oldE--,newS++

• 第四步

oldS > oldE，则oldCh先遍历完成了，而newCh还没遍历完，说明newCh比oldCh多，所以需要将多出来的节点，插入到真实DOM上对应的位置上

• 思考题

我在这里给大家留一个思考题哈。上面的例子是newCh比oldCh多，假如相反，是oldCh比newCh多的话，那就是newCh先走完循环，然后oldCh会有多出的节点，结果会在真实DOM里进行删除这些旧节点。大家可以自己思考一下，模拟一下这个过程，像我一样，画图模拟，才能巩固上面的知识。

附上updateChildren的核心原理代码

function 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) 
      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)
  

用index做key

平常v-for循环渲染的时候，为什么不建议用index作为循环项的key呢？

我们举个例子，左边是初始数据，然后我在数据前插入一个新数据，变成右边的列表

<ul>                      <ul>
    <li key="0">a</li>        <li key="0">林三心</li>
    <li key="1">b</li>        <li key="1">a</li>
    <li key="2">c</li>        <li key="2">b</li>
                              <li key="3">c</li>
</ul>                     </ul>

按理说，最理想的结果是：只插入一个li标签新节点，其他都不动，确保操作DOM效率最高。但是我们这里用了index来当key的话，真的会实现我们的理想结果吗？废话不多说，实践一下：

<ul>
   <li v-for="(item, index) in list" :key="index"> item.title </li>
</ul>
<button @click="add">增加</button>

list: [
         title: "a", id: "100" ,
         title: "b", id: "101" ,
         title: "c", id: "102" ,
      ]

add() 
      this.list.unshift( title: "林三心", id: "99" );
    

点击按钮我们可以看到，并不是我们预想的结果，而是所有li标签都更新了

为什么会这样呢？还是通过图来解释

按理说，a，b，c三个li标签都是复用之前的，因为他们三个根本没改变，改变的只是前面新增了一个林三心

但是我们前面说了，在进行子节点的 diff算法 过程中，会进行 旧首节点和新首节点的sameNode对比，这一步命中了逻辑，因为现在新旧两次首部节点 的 key 都是 0了，同理，key为1和2的也是命中了逻辑，导致相同key的节点会去进行patchVnode更新文本，而原本就有的c节点，却因为之前没有key为4的节点，而被当做了新节点，所以很搞笑，使用index做key，最后新增的居然是本来就已有的c节点。所以前三个都进行patchVnode更新文本，最后一个进行了新增，那就解释了为什么所有li标签都更新了。

那我们可以怎么解决呢？其实我们只要使用一个独一无二的值来当做key就行了

<ul>
   <li v-for="item in list" :key="item.id"> item.title </li>
</ul>

现在再来看看效果

为什么用了id来当做key就实现了我们的理想效果呢，因为这么做的话，a，b，c节点的key就会是永远不变的，更新前后key都是一样的，并且又由于a，b，c节点的内容本来就没变，所以就算是进行了patchVnode，也不会执行里面复杂的更新操作，节省了性能，而林三心节点，由于更新前没有他的key所对应的节点，所以他被当做新的节点，增加到真实DOM上去了。

希望能帮到那些一直想了解虚拟DOM和Diff算法的同学

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