实现一个 Virtual DOM 算法

Posted 2020-10-04 axl234

1 前言

本文会在教你怎么用 300~400 行代码实现一个基本的 Virtual DOM 算法，并且尝试尽量把 Virtual DOM 的算法思路阐述清楚。希望在阅读本文后，能让你深入理解 Virtual DOM 算法，给你现有前端的编程提供一些新的思考。

本文所实现的完整代码存放在 Github。

2 对前端应用状态管理的思考

假如现在你需要写一个像下面一样的表格的应用程序，这个表格可以根据不同的字段进行升序或者降序的展示。

这个应用程序看起来很简单，你可以想出好几种不同的方式来写。最容易想到的可能是，在你的 javascript 代码里面存储这样的数据：

var sortKey = "new" // 排序的字段，新增（new）、取消（cancel）、净关注（gain）、累积（cumulate）人数
var sortType = 1 // 升序还是逆序
var data = [{...}, {...}, {..}, ..] // 表格数据

用三个字段分别存储当前排序的字段、排序方向、还有表格数据；然后给表格头部加点击事件：当用户点击特定的字段的时候，根据上面几个字段存储的内容来对内容进行排序，然后用 JS 或者 jQuery 操作 DOM，更新页面的排序状态（表头的那几个箭头表示当前排序状态，也需要更新）和表格内容。

这样做会导致的后果就是，随着应用程序越来越复杂，需要在JS里面维护的字段也越来越多，需要监听事件和在事件回调用更新页面的DOM操作也越来越多，应用程序会变得非常难维护。后来人们使用了 MVC、MVP 的架构模式，希望能从代码组织方式来降低维护这种复杂应用程序的难度。但是 MVC 架构没办法减少你所维护的状态，也没有降低状态更新你需要对页面的更新操作（前端来说就是DOM操作），你需要操作的DOM还是需要操作，只是换了个地方。

既然状态改变了要操作相应的DOM元素，为什么不做一个东西可以让视图和状态进行绑定，状态变更了视图自动变更，就不用手动更新页面了。这就是后来人们想出了 MVVM 模式，只要在模版中声明视图组件是和什么状态进行绑定的，双向绑定引擎就会在状态更新的时候自动更新视图（关于MV*模式的内容，可以看这篇介绍）。

MVVM 可以很好的降低我们维护状态 -> 视图的复杂程度（大大减少代码中的视图更新逻辑）。但是这不是唯一的办法，还有一个非常直观的方法，可以大大降低视图更新的操作：一旦状态发生了变化，就用模版引擎重新渲染整个视图，然后用新的视图更换掉旧的视图。就像上面的表格，当用户点击的时候，还是在JS里面更新状态，但是页面更新就不用手动操作 DOM 了，直接把整个表格用模版引擎重新渲染一遍，然后设置一下innerhtml就完事了。

听到这样的做法，经验丰富的你一定第一时间意识这样的做法会导致很多的问题。最大的问题就是这样做会很慢，因为即使一个小小的状态变更都要重新构造整棵 DOM，性价比太低；而且这样做的话，input和textarea的会失去原有的焦点。最后的结论会是：对于局部的小视图的更新，没有问题（Backbone就是这么干的）；但是对于大型视图，如全局应用状态变更的时候，需要更新页面较多局部视图的时候，这样的做法不可取。

但是这里要明白和记住这种做法，因为后面你会发现，其实 Virtual DOM 就是这么做的，只是加了一些特别的步骤来避免了整棵 DOM 树变更。

另外一点需要注意的就是，上面提供的几种方法，其实都在解决同一个问题：维护状态，更新视图。在一般的应用当中，如果能够很好方案来应对这个问题，那么就几乎降低了大部分复杂性。

3 Virtual DOM算法

DOM是很慢的。如果我们把一个简单的div元素的属性都打印出来，你会看到：

而这仅仅是第一层。真正的 DOM 元素非常庞大，这是因为标准就是这么设计的。而且操作它们的时候你要小心翼翼，轻微的触碰可能就会导致页面重排，这可是杀死性能的罪魁祸首。

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、属性信息我们都可以很容易地用 JavaScript 对象表示出来：

var element = {
  tagName: ‘ul‘, // 节点标签名
  props: { // DOM的属性，用一个对象存储键值对
    id: ‘list‘
  },
  children: [ // 该节点的子节点
    {tagName: ‘li‘, props: {class: ‘item‘}, children: ["Item 1"]},
    {tagName: ‘li‘, props: {class: ‘item‘}, children: ["Item 2"]},
    {tagName: ‘li‘, props: {class: ‘item‘}, children: ["Item 3"]},
  ]
}

上面对应的HTML写法是：

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

既然原来 DOM 树的信息都可以用 JavaScript 对象来表示，反过来，你就可以根据这个用 JavaScript 对象表示的树结构来构建一棵真正的DOM树。

之前的章节所说的，状态变更->重新渲染整个视图的方式可以稍微修改一下：用 JavaScript 对象表示 DOM 信息和结构，当状态变更的时候，重新渲染这个 JavaScript 的对象结构。当然这样做其实没什么卵用，因为真正的页面其实没有改变。

但是可以用新渲染的对象树去和旧的树进行对比，记录这两棵树差异。记录下来的不同就是我们需要对页面真正的 DOM 操作，然后把它们应用在真正的 DOM 树上，页面就变更了。这样就可以做到：视图的结构确实是整个全新渲染了，但是最后操作DOM的时候确实只变更有不同的地方。

这就是所谓的 Virtual DOM 算法。包括几个步骤：

1. 用 JavaScript 对象结构表示 DOM 树的结构；然后用这个树构建一个真正的 DOM 树，插到文档当中

2. 当状态变更的时候，重新构造一棵新的对象树。然后用新的树和旧的树进行比较，记录两棵树差异

3. 把2所记录的差异应用到步骤1所构建的真正的DOM树上，视图就更新了

Virtual DOM 本质上就是在 JS 和 DOM 之间做了一个缓存。可以类比 CPU 和硬盘，既然硬盘这么慢，我们就在它们之间加个缓存：既然 DOM 这么慢，我们就在它们 JS 和 DOM 之间加个缓存。CPU（JS）只操作内存（Virtual DOM），最后的时候再把变更写入硬盘（DOM）。

4 算法实现

4.1 步骤一：用JS对象模拟DOM树

用 JavaScript 来表示一个 DOM 节点是很简单的事情，你只需要记录它的节点类型、属性，还有子节点：

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)
}

例如上面的 DOM 结构就可以简单的表示：

var el = require(‘./element‘)

var ul = el(‘ul‘, {id: ‘list‘}, [
  el(‘li‘, {class: ‘item‘}, [‘Item 1‘]),
  el(‘li‘, {class: ‘item‘}, [‘Item 2‘]),
  el(‘li‘, {class: ‘item‘}, [‘Item 3‘])
])

现在ul只是一个 JavaScript 对象表示的 DOM 结构，页面上并没有这个结构。我们可以根据这个ul构建真正的<ul>：

Element.prototype.render = function () {
  var el = document.createElement(this.tagName) // 根据tagName构建
  var props = this.props

  for (var propName in props) { // 设置节点的DOM属性
    var propValue = props[propName]
    el.setAttribute(propName, propValue)
  }

  var children = this.children || []

  children.forEach(function (child) {
    var childEl = (child instanceof Element)
      ? child.render() // 如果子节点也是虚拟DOM，递归构建DOM节点
      : document.createTextNode(child) // 如果字符串，只构建文本节点
    el.appendChild(childEl)
  })

  return el
}

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，最后递归地把自己的子节点也构建起来。所以只需要：

var ulRoot = ul.render()
document.body.appendChild(ulRoot)

上面的ulRoot是真正的DOM节点，把它塞入文档中，这样body里面就有了真正的<ul>的DOM结构：

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

完整代码可见 element.js。

4.2 步骤二：比较两棵虚拟DOM树的差异

正如你所预料的，比较两棵DOM树的差异是 Virtual DOM 算法最核心的部分，这也是所谓的 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(n^3) 的问题。但是在前端当中，你很少会跨越层级地移动DOM元素。所以 Virtual DOM 只会对同一个层级的元素进行对比：

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

4.2.1 深度优先遍历，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，这样每个节点都会有一个唯一的标记：

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，对比两棵树
function diff (oldTree, newTree) {
  var index = 0 // 当前节点的标志
  var patches = {} // 用来记录每个节点差异的对象
  dfsWalk(oldTree, newTree, index, patches)
  return patches
}

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

// 遍历子节点
function diffChildren (oldChildren, newChildren, index, patches) {
  var leftNode = null
  var currentNodeIndex = index
  oldChildren.forEach(function (child, i) {
    var newChild = newChildren[i]
    currentNodeIndex = (leftNode && leftNode.count) // 计算节点的标识
      ? currentNodeIndex + leftNode.count + 1
      : currentNodeIndex + 1
    dfsWalk(child, newChild, currentNodeIndex, patches) // 深度遍历子节点
    leftNode = child
  })
}

例如，上面的div和新的div有差异，当前的标记是0，那么：

patches[0] = [{difference}, {difference}, ...] // 用数组存储新旧节点的不同

同理p是patches[1]，ul是patches[3]，类推。

4.2.2 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：

1. 替换掉原来的节点，例如把上面的div换成了section

2. 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

3. 修改了节点的属性

4. 对于文本节点，文本内容可能会改变。例如修改上面的文本节点2内容为Virtual DOM 2。

所以我们定义了几种差异类型：

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和是不是一样的，如果不一样的说明需要替换掉。如div换成section，就记录下：

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

如果给div新增了属性id为container，就记录下：

patches[0] = [{
  type: REPALCE,
  node: newNode // el(‘section‘, props, children)
}, {
  type: PROPS,
  props: {
    id: "container"
  }
}]

如果是文本节点，如上面的文本节点2，就记录下：

patches[2] = [{
  type: TEXT,
  content: "Virtual DOM2"
}]

那如果把我div的子节点重新排序呢？例如p, ul, div的顺序换成了div, p, ul。这个该怎么对比？如果按照同层级进行顺序对比的话，它们都会被替换掉。如p和div的tagName不同，p会被div所替代。最终，三个节点都会被替换，这样DOM开销就非常大。而实际上是不需要替换节点，而只需要经过节点移动就可以达到，我们只需知道怎么进行移动。

这牵涉到两个列表的对比算法，需要另外起一个小节来讨论。

4.2.3 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 h 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。

4.3 步骤三：把差异应用到真正的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)
    }
  })
}

完整代码可见 patch.js。

5 结语

Virtual DOM 算法主要是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：

// 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)

当然这是非常粗糙的实践，实际中还需要处理事件监听等；生成虚拟 DOM 的时候也可以加入 JSX 语法。这些事情都做了的话，就可以构造一个简单的ReactJS了。

本文所实现的完整代码存放在 Github，仅供学习