深入理解react中的虚拟DOMdiff算法

Posted 2020-09-30 Wayne Zhu

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了深入理解react中的虚拟DOMdiff算法相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章结构：

React中的虚拟DOM是什么？
虚拟DOM的简单实现（diff算法）
虚拟DOM的内部工作原理
React中的虚拟DOM与Vue中的虚拟DOM比较

React中的虚拟DOM是什么？

　虽然React中的虚拟DOM很好用，但是这是一个无心插柳的结果。　　

　 React的核心思想：一个Component拯救世界，忘掉烦恼，从此不再操心界面。

1. Virtual Dom快，有两个前提

1.1 javascript很快

　　 Chrome刚出来的时候，在Chrome里跑Javascript非常快，给了其它浏览器很大压力。而现在经过几轮你追我赶，各主流浏览器的Javascript执行速度都很快了。

　　在 https://julialang.org/benchmarks/ 这个网站上，我们可以看到，JavaScript语言已经非常快了，和C就是几倍的关系，和java在同一个量级。所以说，单纯的JavaScript还是还是很快的。

1.2 Dom很慢

　　当创建一个元素比如div，有以下几项内容需要实现： HTML element、Element、GlobalEventHandler。简单的说，就是插入一个Dom元素的时候，这个元素上本身或者继承很多属性如 width、height、offsetHeight、style、title，另外还需要注册这个元素的诸多方法，比如onfucos、onclick等等。这还只是一个元素，如果元素比较多的时候，还涉及到嵌套，那么元素的属性和方法等等就会很多，效率很低。

　　比如，我们在一个空白网页的body中添加一个div元素，如下所示：

　　这个元素会挂载默认的styles、得到这个元素的computed属性、注册相应的Event Listener、DOM Breakpoints以及大量的properties，这些属性、方法的注册肯定是需要h耗费大量时间的。

　　尤其是在js操作DOM的过程中，不仅有dom本身的繁重，js的操作也需要浪费时间，我们认为js和DOM之间有一座桥，如果你频繁的在桥两边走动，显然效率是很低的，如果你的JavaScript操作DOM的方式还非常不合理，那么显然就会更糟糕了。

　　而 React的虚拟DOM就是解决这个问题的！ 虽然它解决不了DOM自身的繁重，但是虚拟DOM可以对JavaScript操作DOM这一部分内容进行优化。

　　比如说，现在你的list是这样：

<ul>
<li>0</li>
<li>1</li>
<li>2</li>
<li>3</li>
</ul>

　　你希望把它变成下面这样：

<ul>
<li>6</li>
<li>7</li>
<li>8</li>
<li>9</li>
<li>10</li>
</ul>

　　通常的操作是什么？

　　先把0， 1，2，3这些Element删掉，然后加几个新的Element 6，7，8，9，10进去，这里面就有4次Element删除，5次Element添加。共计9次DOM操作。

　　那React的虚拟DOM可以怎么做呢？

　　而React会把这两个做一下Diff，然后发现其实不用删除0，1，2，3，而是可以直接改innerhtml，然后只需要添加一个Element（10）就行了，这样就是4次innerHTML操作加1个Element添加。共计5此操作，这样效率的提升是非常可观的。

2、关于React

2.1 接口和设计

　　在React的设计中，是完全不需要你来操作DOM的。我们也可以认为，在React中根本就没有DOM这个概念，有的只是Component。

　　当你写好一个Component以后，Component会完全负责UI，你不需要也不应该去也不能够指挥Component怎么显示，你只能告诉它你想要显示一个香蕉还是两个梨。

　　隔离DOM并不仅仅是因为DOM慢，而也是为了把界面和业务完全隔离，操作数据的只关心数据，操作界面的只关心界面。比如在websocket聊天室的创建房间时，我们可以首先Component写好，然后当获取到数据的时候，只要把数据放在redux中就好，然后Component就动把房间添加到页面中去，而不是你先拿到数据，然后使用js操作DOM把数据显示在页面上。

　　即我提供一个Component，然后你只管给我数据，界面的事情完全不用你操心，我保证会把界面变成你想要的样子。所以说React的着力点就在于View层，即React专注于View层。你可以把一个React的Component想象成一个Pure Function，只要你给的数据是[1, 2, 3]，我保证显示的是[1, 2, 3]。没有什么删除一个Element，添加一个Element这样的事情。NO。你要我显示什么就给我一个完整的列表。

　　另外，Flux虽然说的是单向的Data Flow(redux也是)，但是实际上就是单向的Observer，Store->View->Action->Store（箭头是数据流向，实现上可以理解为View监听Store，View直接trigger action，然后Store监听Action）。

2.2 实现

　　那么react如何实现呢？最简单的方法就是当数据变化时，我直接把原先的DOM卸载，然后把最新数据的DOM替换上去。但是，虚拟DOM哪去了？ 这样做的效率显然是极低的。

　　所以虚拟DOM就来救场了。

　　那么虚拟DOM和DOM之间的关系是什么呢？

　　首先，Virtual DOM并没有完全实现DOM，即虚拟DOM和真正地DOM是不一样的，Virtual DOM最主要的还是保留了Element之间的层次关系和一些基本属性。因为真实DOM实在是太复杂，一个空的Element都复杂得能让你崩溃，并且几乎所有内容我根本不关心好吗。所以Virtual DOM里每一个Element实际上只有几个属性，即最重要的，最为有用的，并且没有那么多乱七八糟的引用，比如一些注册的属性和函数啊，这些都是默认的，创建虚拟DOM进行diff的过程中大家都一致，是不需要进行比对的。所以哪怕是直接把Virtual DOM删了，根据新传进来的数据重新创建一个新的Virtual DOM出来都非常非常非常快。（每一个component的render函数就是在做这个事情，给新的virtual dom提供input）。

　　所以，引入了Virtual DOM之后，React是这么干的：你给我一个数据，我根据这个数据生成一个全新的Virtual DOM，然后跟我上一次生成的Virtual DOM去 diff，得到一个Patch，然后把这个Patch打到浏览器的DOM上去。完事。并且这里的patch显然不是完整的虚拟DOM，而是新的虚拟DOM和上一次的虚拟DOM经过diff后的差异化的部分。

　　假设在任意时候有，VirtualDom1 == DOM1 （组织结构相同, 显然虚拟DOM和真实DOM是不可能完全相等的，这里的==是js中非完全相等）。当有新数据来的时候，我生成VirtualDom2，然后去和VirtualDom1做diff，得到一个Patch（差异化的结果）。然后将这个Patch去应用到DOM1上，得到DOM2。如果一切正常，那么有VirtualDom2 == DOM2（同样是结构上的相等）。

　　这里你可以做一些小实验，去破坏VirtualDom1 == DOM1这个假设（手动在DOM里删除一些Element，这时候VirtualDom里的Element没有被删除，所以两边不一样了）。
然后给新的数据，你会发现生成的界面就不是你想要的那个界面了。

　　最后，回到为什么Virtual Dom快这个问题上。
其实是由于每次生成virtual dom很快，diff生成patch也比较快，而在对DOM进行patch的时候，虽然DOM的变更比较慢，但是React能够根据Patch的内容，优化一部分DOM操作，比如之前的那个例子。

　　重点就在最后，哪怕是我生成了virtual dom(需要耗费时间)，哪怕是我跑了diff（还需要花时间），但是我根据patch简化了那些DOM操作省下来的时间依然很可观（这个就是时间差的问题了，即节省下来的时间 > 生成 virtual dom的时间 + diff时间）。所以总体上来说，还是比较快。

简单发散一下思路，如果哪一天，DOM本身的已经操作非常非常非常快了，并且我们手动对于DOM的操作都是精心设计优化过后的，那么加上了VirtualDom还会快吗？
当然不行了，毕竟你多做了这么多额外的工作。

但是那一天会来到吗？
诶，大不了到时候不用Virtual DOM。

注：此部分内容整理自：https://www.zhihu.com/question/29504639/answer/44680878

虚拟DOM的简单实现（diff算法）

前言

　　在上面一部分中，我们已经简单介绍了虚拟DOM的答题思路和好处，这里我们将通过自己写一个虚拟DOM来加深对其的理解，有一些自己的思考。

对前端应用状态管理思考

　　维护状态，更新视图。

虚拟DOM算法

　　DOM是很慢的，如果我们创建一个简单的div，然后把他的所有的属性都打印出来，你会看到：

    var div = document.createElement(\'div\'),
        str = \'\';
    for (var key in div) {
      str = str + \' \' + key;
    }
    console.log(str);

可以看到，这些属性还是非常惊人的，包括样式的修饰特性、一般的特性、方法等等，如果我们打印出其长度，可以得到惊人的227个。

而这仅仅是一层，真正的DOM元素是非常庞大的，这是因为标准就是这么设计的，而且操作他们的时候你要小心翼翼，轻微的触碰就有可能导致页面发生重排，这是杀死性能的罪魁祸首。

　　而相对于DOM对象，原生的JavaScript对象处理起来更快，而且更简单，DOM树上的结构信息我们都可以使用JavaScript对象很容易的表示出来。

    var element = {
      tagName: \'ul\',
      props: {
        id: \'list\'
      },
      children: {
        {
          tagName: \'li\',
          props: {
            class: \'item\'
          },
          children: [\'Item1\']
        }, 
        {
          tagName: \'li\',
          props: {
            class: \'item\'
          },
          children: [\'Item1\']
        }, 
        {
          tagName: \'li\',
          props: {
            class: \'item\'
          },
          children: [\'Item1\']
        }
      }
    }

　　如上所示，对于一个元素，我们只需要一个JavaScript对象就可以很容易的表示出来，这个对象中有三个属性:

tagName: 用来表示这个元素的标签名。
props: 用来表示这元素所包含的属性。
children: 用来表示这元素的children。

　　而上面的这个对象使用HTML表示就是：

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

　　OK! 既然原来的DOM信息可以使用JavaScript来表示，那么反过来，我们就可以用这个JavaScript对象来构建一个真正的DOM树。

　　所以之前所说的状态变更的时候会从新构建这个JavaScript对象，然后呢，用新渲染的对象和旧的对象去对比，记录两棵树的差异，记录下来的就是我们需要改变的地方。这就是所谓的虚拟DOM，包括下面的几个步骤：

用JavaScript对象来表示DOM树的结构；然后用这个树构建一个真正的DOM树，插入到文档中。
当状态变更的时候，重新构造一个新的对象树，然后用这个新的树和旧的树作对比，记录两个树的差异。
把2所记录的差异应用在步骤一所构建的真正的DOM树上，视图就更新了。

Virtual DOM的本质就是在JS和DOM之间做一个缓存，可以类比CPU和硬盘，既然硬盘这么慢，我们就也在他们之间添加一个缓存；既然DOM这么慢，我们就可以在JS和DOM之间添加一个缓存。 CPU（JS）只操作内存（虚拟DOM），最后的时候在把变更写入硬盘（DOM）。

算法实现

1、用JavaScript对象模拟DOM树

　用JavaScript对象来模拟一个DOM节点并不难，你只需要记录他的节点类型（tagName）、属性（props）、子节点（children）。

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);
    }

通过这个构造函数，我们就可以传入标签名、属性以及子节点了，tagName可以在我们render的时候直接根据它来创建真实的元素，这里的props使用一个对象传入，可以方便我们遍历。

基本使用方法如下：

    var el = require(\'./element\');

    var ul = el(\'ul\', {id: \'list\'}, [
        el(\'li\', {class: \'item\'}, [\'item1\']),
        el(\'li\', {class: \'item\'}, [\'item2\']),
        el(\'li\', {class: \'item\'}, [\'item3\'])
      ]);

然而，现在的ul只是JavaScript表示的一个DOM结构，页面上并没有这个结构，所有我们可以根据ul构建一个真正的<ul>：

   Element.prototype.render = function () {
      // 根据tagName创建一个真实的元素
      var el = document.createElement(this.tagName);
      // 得到这个元素的属性对象，方便我们遍历。
      var props = this.props;

      for (var propName in props) {
        // 获取到这个元素值
        var propValue = props[propName];

        // 通过setAttribute设置元素属性。 
        el.setAttribute(propName, propValue);
      }

      // 注意： 这里的children，我们传入的是一个数组，所以，children不存在时我们用【】来替代。 
      var children = this.children || [];

      //遍历children
      children.forEach(function (child) {
        var childEl = (child instanceof Element)
                      ? child.render()
                      : document.createTextNode(child);
        // 无论childEl是元素还是文字节点，都需要添加到这个元素中。
        el.appendChild(childEl);
      });

      return el;
    }

　　所以，render方法会根据tagName构建一个真正的DOM节点，然后设置这个节点的属性，最后递归的把自己的子节点也构建起来，所以只需要调用ul的render方法，通过document.body.appendChild就可以挂载到真实的页面了。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <title>div</title>
</head>
<body>
  <script>

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


    var ul = new Element(\'ul\', {id: \'list\'}, [
        new Element(\'li\', {class: \'item\'}, [\'item1\']),
        new Element(\'li\', {class: \'item\'}, [\'item2\']),
        new Element(\'li\', {class: \'item\'}, [\'item3\'])
      ]);

    Element.prototype.render = function () {
      // 根据tagName创建一个真实的元素
      var el = document.createElement(this.tagName);
      // 得到这个元素的属性对象，方便我们遍历。
      var props = this.props;

      for (var propName in props) {
        // 获取到这个元素值
        var propValue = props[propName];

        // 通过setAttribute设置元素属性。 
        el.setAttribute(propName, propValue);
      }

      // 注意： 这里的children，我们传入的是一个数组，所以，children不存在时我们用【】来替代。 
      var children = this.children || [];

      //遍历children
      children.forEach(function (child) {
        var childEl = (child instanceof Element)
                      ? child.render()
                      : document.createTextNode(child);
        // 无论childEl是元素还是文字节点，都需要添加到这个元素中。
        el.appendChild(childEl);
      });

      return el;
    }

    var ulRoot = ul.render();
    document.body.appendChild(ulRoot);
  </script>
</body>
</html>

上面的这段代码，就可以渲染出下面的结果了：

2、比较两颗虚拟DOM树的差异

　　比较两颗DOM数的差异是Virtual DOM算法中最为核心的部分，这也就是所谓的Virtual DOM的diff算法。两个树的完全的diff算法是一个时间复杂度为 O(n³) 的问题。但是在前端中，你会很少跨层地移动DOM元素，所以真实的DOM算法会对同一个层级的元素进行对比。

上图中，div只会和同一层级的div对比，第二层级的只会和第二层级对比。这样算法复杂度就可以达到O(n)。

（1）深度遍历优先，记录差异

　　在实际的代码中，会对新旧两棵树进行一个深度优先的遍历，这样每一个节点就会有一个唯一的标记：

上面的这个遍历过程就是深度优先，即深度完全完成之后，再转移位置。 在深度优先遍历的时候，每遍历到一个节点就把该节点和新的树进行对比，如果有差异的话就记录到一个对象里面。

    // diff函数，对比两颗树
    function diff(oldTree, newTree) {
      // 当前的节点的标志。因为在深度优先遍历的过程中，每个节点都有一个index。
      var index = 0;

      // 在遍历到每个节点的时候，都需要进行对比，找到差异，并记录在下面的对象中。
      var pathches = {};

      // 开始进行深度优先遍历
      dfsWalk(oldTree, newTree, index, pathches);

      // 最终diff算法返回的是一个两棵树的差异。
      return pathches;
    }

    // 对两棵树进行深度优先遍历。
    function dfsWalk(oldNode, newNode, index, pathches) {
      // 对比oldNode和newNode的不同，记录下来
      pathches[index] = [...];

      diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, pathches); 
    }

    // 遍历子节点
    function diffChildren(oldChildren, newChildren, index, pathches) {  
      var leftNode = null;
      var currentNodeIndex = index;
      oldChildren.forEach(function (child, i) {
        var newChild = newChildren[i];
        currentNodeIndex = (leftNode && leftNode.count)
        ? currentNodeIndex + leftNode.count + 1
        : currentNodeIndex + 1

        // 深度遍历子节点
        dfsWalk(child, newChild, currentNodeIndex, pathches);
        leftNode = child;
      });
    }

例如，上面的div和新的div有差异，当前的标记是0，那么我们可以使用数组来存储新旧节点的不同：

patches[0] = [{difference}, {difference}, ...]

同理使用patches[1]来记录p，使用patches[3]来记录ul，以此类推。

（2）差异类型

　　上面说的节点的差异指的是什么呢？对DOM操作可能会：

替换原来的节点，如把上面的div换成了section。
移动、删除、新增子节点，例如上面div的子节点，把p和ul顺序互换。
修改了节点的属性。
对于文本节点，文本内容可能会改变。例如修改上面的文本内容2内容为Virtual DOM2.

　　所以，我们可以定义下面的几种类型：

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

　　对于节点替换，很简单，判断新旧节点的tagName是不是一样的，如果不一样的说明需要替换掉。如div换成了section，就记录下：

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

　　除此之外，如果给div新增了属性id为container，就记录下：

    pathches[0] = [
      {
        type: REPLACE,
        node: newNode 
      }, 
      { 
        type: PROPS,
        props: {
          id: \'container\'
        }
      }
    ]

　　如果是文本节点发生了变化，那么就记录下：

    pathches[2] = [
      {
        type:  TEXT,
        content: \'virtual DOM2\'
      }
    ]

　　那么如果我们把div的子节点重新排序了呢？ 比如p、ul、div的顺序换成了div、p、ul，那么这个该怎么对比呢？如果按照同级进行顺序对比的话，他们就会被替换掉，如p和div的tagName不同，p就会被div所代替，最终，三个节点就都会被替换，这样DOM开销就会非常大，而实际上是不需要替换节点的，只需要移动就可以了，我们只需要知道怎么去移动。这里牵扯到了两个列表的对比算法，如下。

（3）列表对比算法

　　假设现在可以英文字母唯一地标识每一个子节点：

　　旧的节点顺序：

a b c d e f g h i

　　现在对节点进行了删除、插入、移动的操作。新增j节点，删除e节点，移动h节点：

　　新的节点顺序：

a b c h d f g i j

　　现在知道了新旧的顺序，求最小的插入、删除操作（移动可以看成是删除和插入操作的结合）。这个问题抽象出来其实是字符串的最小编辑距离问题（Edition Distance），最常见的解决算法是 Levenshtein Distance，通过动态规划求解，时间复杂度为 O(M * N)。但是我们并不需要真的达到最小的操作，我们只需要优化一些比较常见的移动情况，牺牲一定DOM操作，让算法时间复杂度达到线性的（O(max(M, N))。具体算法细节比较多，这里不累述，有兴趣可以参考代码。

　　我们能够获取到某个父节点的子节点的操作，就可以记录下来：

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

　　但是要注意的是，因为tagName是可重复的，不能用这个来进行对比。所以需要给子节点加上唯一标识key，列表对比的时候，使用key进行对比，这样才能复用老的 DOM 树上的节点。

　　这样，我们就可以通过深度优先遍历两棵树，每层的节点进行对比，记录下每个节点的差异了。完整 diff 算法代码可见 diff.js。

3、把差异引用到真正的DOM树上

　　因为步骤一所构建的 JavaScript 对象树和render出来真正的DOM树的信息、结构是一样的。所以我们可以对那棵DOM树也进行深度优先的遍历，遍历的时候从步骤二生成的patches对象中找出当前遍历的节点差异，然后进行 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] // 从patches拿出当前节点的差异

  var len = node.childNodes
    ? node.childNodes.length
    : 0
  for (var i = 0; i < len; i++) { // 深度遍历子节点
    var child = node.childNodes[i]
    walker.index++
    dfsWalk(child, walker, patches)
  }

  if (currentPatches) {
    applyPatches(node, currentPatches) // 对当前节点进行DOM操作
  }
}

　　applyPatches，根据不同类型的差异对当前节点进行 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)
    }
  })
}

5、结语

　　virtual DOM算法主要实现上面步骤的三个函数： element、diff、patch，然后就可以实际的进行使用了。

// 1. 构建虚拟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. 通过虚拟DOM构建真正的DOM
var root = tree.render()
document.body.appendChild(root)

// 3. 生成新的虚拟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. 比较两棵虚拟DOM树的不同
var patches = diff(tree, newTree)

// 5. 在真正的DOM元素上应用变更
patch(root, patches)