第203集：Vue 3虚拟DOM与Diff算法深度解析

概述

在本集中，我们将深入剖析Vue 3虚拟DOM与Diff算法的源码实现。虚拟DOM是Vue框架的核心概念之一，它通过在内存中维护一个虚拟的DOM树，避免了频繁操作真实DOM带来的性能开销。Diff算法则负责计算虚拟DOM树的差异，并将这些差异高效地应用到真实DOM上。

虚拟DOM核心架构

Vue 3虚拟DOM系统主要包含以下核心模块：

1. 虚拟节点（VNode）：内存中的DOM节点表示
2. VNode创建：用于创建各种类型VNode的工厂函数
3. Diff算法：计算新旧VNode差异的算法
4. 补丁（Patch）：将差异应用到真实DOM的操作
5. 渲染器（Renderer）：协调虚拟DOM与真实DOM的核心模块

源码目录结构

Vue 3虚拟DOM系统的源码主要位于packages/runtime-core/目录下：

packages/runtime-core/src/
├── vnode.ts               # 虚拟节点定义
├── h.ts                   # VNode创建函数
├── renderer.ts            # 渲染器核心实现
├── patchFlags.ts          # 补丁标志定义
├── diff.ts                # Diff算法实现
├── patchProp.ts           # 属性补丁实现
├── helpers/               # 辅助函数
└── components/            # 组件相关实现

核心源码解析

1. 虚拟节点（VNode）定义

让我们先看一下runtime-core/src/vnode.ts中VNode的核心定义：

// packages/runtime-core/src/vnode.ts
/**
 * VNode类型枚举
 */
export const enum VNodeTypes {
  TEXT = 0,                   // 文本节点
  COMMENT = 1,                // 注释节点
  RAWTEXT = 2,                // 原始文本节点
  ELEMENT = 3,                // 元素节点
  COMPONENT = 4,              // 组件节点
  COMPONENT_SHOULD_KEEP_ALIVE = 5, // 应该保持激活的组件节点
  COMPONENT_KEPT_ALIVE = 6,   // 已保持激活的组件节点
  FRAGMENT = 7,               // 片段节点
  TELEPORT = 8,               // 传送门节点
  SUSPENSE = 9,               // 悬念节点
  SUSPENSE_FALLBACK = 10      // 悬念回退节点
}

/**
 * 虚拟节点接口
 */
export interface VNode {
  // 节点类型
  type: VNodeTypes | Function | ComponentOptions | null
  // 节点props
  props: VNodeProps | null
  // 节点子节点
  children: VNodeNormalizedChildren
  // 节点key
  key: string | number | null
  // 目标节点
  target: any
  // 真实DOM节点
  el: Element | Text | Comment | null
  // 组件实例
  component: ComponentInternalInstance | null
  //  suspense实例
  suspense: SuspenseBoundary | null
  // 传送门目标
  teleportTarget: any
  // 传送门目标容器
  teleportSource: any
  // 补丁标志
  patchFlag: number
  // 动态props键
  dynamicProps: string[] | null
  // 动态children键
  dynamicChildren: VNode[] | null
  // 命名插槽
  slotScopeIds: string[] | null
  // 作用域id
  scopedId: string | null
  // 命名插槽
  slotName: string | null
  // ... 其他属性
}

2. VNode创建函数

h函数是创建VNode的主要入口，定义在runtime-core/src/h.ts中：

// packages/runtime-core/src/h.ts
/**
 * 创建虚拟节点
 * @param type 节点类型
 * @param propsOrChildren 属性或子节点
 * @param children 子节点
 * @returns 虚拟节点
 */
export function h(type: any, propsOrChildren?: any, children?: any): VNode {
  // 处理参数
  const l = arguments.length
  // 如果只有两个参数
  if (l === 2) {
    // 如果第二个参数是对象且不是数组，那么它是props
    if (isObject(propsOrChildren) && !isArray(propsOrChildren)) {
      // 如果propsOrChildren是VNode，那么它是children
      if (isVNode(propsOrChildren)) {
        return createVNode(type, null, [propsOrChildren])
      }
      // 否则是props
      return createVNode(type, propsOrChildren)
    } else {
      // 否则第二个参数是children
      return createVNode(type, null, propsOrChildren)
    }
  } else {
    // 三个或更多参数
    if (l > 3) {
      // 超过三个参数，将多余的参数作为children数组
      children = Array.prototype.slice.call(arguments, 2)
    } else if (l === 3 && isVNode(children)) {
      // 第三个参数是单个VNode，包装成数组
      children = [children]
    }
    // 创建VNode
    return createVNode(type, propsOrChildren, children)
  }
}

/**
 * 创建虚拟节点的核心实现
 * @param type 节点类型
 * @param props 属性
 * @param children 子节点
 * @returns 虚拟节点
 */
export function createVNode(
  type: VNodeTypes | Function | ComponentOptions | null,
  props: (Data & VNodeProps) | null = null,
  children: unknown = null
): VNode {
  // 标准化props
  props = props || null
  
  // 标准化children
  let normalizedProps: Data & VNodeProps | null = null
  let vnodeFlags = 0
  let patchFlag = 0
  let dynamicProps: string[] | null = null
  let shapeFlag = ShapeFlags.NULL
  
  // 根据type确定VNode类型
  if (typeof type === 'string') {
    // 元素节点
    vnodeFlags |= VNodeFlags.ELEMENT
    shapeFlag |= ShapeFlags.ELEMENT
    // ... 处理元素节点
  } else if (isObject(type)) {
    // 组件节点
    vnodeFlags |= VNodeFlags.COMPONENT
    shapeFlag |= ShapeFlags.COMPONENT
    // ... 处理组件节点
  } else if (isFunction(type)) {
    // 函数式组件或异步组件
    vnodeFlags |= VNodeFlags.COMPONENT_FUNCTIONAL
    shapeFlag |= ShapeFlags.COMPONENT
    // ... 处理函数式组件
  } else {
    // 其他类型，如文本节点
    vnodeFlags |= VNodeFlags.TEXT
    shapeFlag |= ShapeFlags.TEXT
  }
  
  // 标准化子节点
  if (children) {
    shapeFlag |= normalizeChildren(children, vnode) || 0
  }
  
  // 创建VNode对象
  const vnode: VNode = {
    type,
    props,
    children,
    key: (props && props.key) || null,
    target: null,
    el: null,
    component: null,
    suspense: null,
    teleportTarget: null,
    teleportSource: null,
    patchFlag,
    dynamicProps,
    dynamicChildren: null,
    slotScopeIds: null,
    scopedId: null,
    slotName: null,
    // ... 其他属性
  }
  
  return vnode
}

3. 渲染器核心实现

渲染器是协调虚拟DOM与真实DOM的核心，定义在runtime-core/src/renderer.ts中：

// packages/runtime-core/src/renderer.ts
/**
 * 创建渲染器
 * @param options 渲染器选项
 * @returns 渲染器对象
 */
export function createRenderer(options: RendererOptions) {
  // 解构选项
  const {
    insert: hostInsert,
    remove: hostRemove,
    patchProp: hostPatchProp,
    createElement: hostCreateElement,
    createText: hostCreateText,
    createComment: hostCreateComment,
    setText: hostSetText,
    setElementText: hostSetElementText,
    parentNode: hostParentNode,
    nextSibling: hostNextSibling,
    setScopeId: hostSetScopeId,
    cloneNode: hostCloneNode,
    insertStaticContent: hostInsertStaticContent
  } = options
  
  // 补丁函数，用于更新DOM
  const patch: PatchFn = (n1, n2, container, anchor = null, parentComponent = null, parentSuspense = null, namespace = null, slotScopeIds = null, optimized = false) => {
    // 如果新旧节点相同，直接返回
    if (n1 === n2) {
      return
    }
    
    // 如果n1存在，n2不存在，移除旧节点
    if (n1 && !n2) {
      unmount(n1, parentComponent, parentSuspense, true)
      return
    }
    
    // 如果n1不存在，n2存在，挂载新节点
    if (!n1) {
      mount(n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
    } else {
      // 否则执行Diff算法
      // 检查节点类型是否相同
      if (n1.type !== n2.type) {
        // 类型不同，直接替换
        unmount(n1, parentComponent, parentSuspense, true)
        mount(n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
      } else {
        // 类型相同，执行具体的补丁操作
        const { type } = n1
        // 根据节点类型执行不同的补丁操作
        if (type === VNodeTypes.TEXT) {
          // 文本节点补丁
          patchText(n1, n2)
        } else if (type === VNodeTypes.COMMENT) {
          // 注释节点补丁
          patchComment(n1, n2)
        } else if (type === VNodeTypes.FRAGMENT) {
          // 片段节点补丁
          patchFragment(n1, n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
        } else if (type === VNodeTypes.TELEPORT) {
          // 传送门节点补丁
          patchTeleport(n1, n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
        } else if (type === VNodeTypes.SUSPENSE) {
          // 悬念节点补丁
          patchSuspense(n1, n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
        } else {
          // 元素或组件节点补丁
          if (n2.shapeFlag & ShapeFlags.ELEMENT) {
            // 元素节点补丁
            patchElement(n1, n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
          } else {
            // 组件节点补丁
            patchComponent(n1, n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
          }
        }
      }
    }
  }
  
  // 挂载函数，用于将VNode挂载到DOM
  const mount: MountFn = (vnode, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized) => {
    // 根据VNode类型执行不同的挂载操作
    // ... 挂载实现
  }
  
  // 卸载函数，用于从DOM中移除VNode
  const unmount: UnmountFn = (vnode, parentComponent, parentSuspense, doRemove = false) => {
    // 根据VNode类型执行不同的卸载操作
    // ... 卸载实现
  }
  
  // 返回渲染器对象
  return {
    render,
    hydrate,
    createApp
  }
}

4. Diff算法实现

Vue 3的Diff算法主要实现在patchElement函数中，特别是对于子节点的处理：

// packages/runtime-core/src/renderer.ts
/**
 * 补丁元素节点
 * @param n1 旧节点
 * @param n2 新节点
 * @param container 容器
 * @param anchor 锚点
 * @param parentComponent 父组件
 * @param parentSuspense 父悬念
 * @param namespace 命名空间
 * @param slotScopeIds 插槽作用域id
 * @param optimized 是否优化
 */
const patchElement = (n1: VNode, n2: VNode, container: RendererElement, anchor: RendererNode | null, parentComponent: ComponentInternalInstance | null, parentSuspense: SuspenseBoundary | null, namespace: RendererNamespace | null, slotScopeIds: string[] | null, optimized: boolean) => {
  // ... 其他属性补丁逻辑
  
  // 处理子节点
  const { shapeFlag: prevShapeFlag } = n1
  const { shapeFlag, patchFlag, dynamicChildren } = n2
  
  // 如果新节点有动态children，使用快速路径
  if (dynamicChildren != null) {
    // 快速路径：更新动态children
    patchBlockChildren(n1.dynamicChildren!, dynamicChildren, el, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
  } else if (!(patchFlag & PatchFlags.DYNAMIC_SLOTS) && prevShapeFlag & ShapeFlags.ARRAY_CHILDREN === ShapeFlags.ARRAY_CHILDREN && shapeFlag & ShapeFlags.ARRAY_CHILDREN === ShapeFlags.ARRAY_CHILDREN) {
    // 完整Diff：两个节点都有数组children
    patchChildren(n1, n2, el, null, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
  } else {
    // 其他情况：替换所有children
    unmountChildren(n1, parentComponent, parentSuspense)
    mountChildren(n2, el, null, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
  }
}

/**
 * 补丁子节点
 * @param n1 旧节点
 * @param n2 新节点
 * @param container 容器
 * @param anchor 锚点
 * @param parentComponent 父组件
 * @param parentSuspense 父悬念
 * @param namespace 命名空间
 * @param slotScopeIds 插槽作用域id
 * @param optimized 是否优化
 */
const patchChildren = (n1: VNode, n2: VNode, container: RendererElement, anchor: RendererNode | null, parentComponent: ComponentInternalInstance | null, parentSuspense: SuspenseBoundary | null, namespace: RendererNamespace | null, slotScopeIds: string[] | null, optimized: boolean) => {
  // 获取新旧children
  const c1 = n1 && n1.children as VNode[]
  const prevShapeFlag = n1 ? n1.shapeFlag : 0
  const c2 = n2.children as VNode[]
  
  // 获取新节点的shapeFlag
  const { patchFlag, shapeFlag } = n2
  
  // 检查是否可以使用快速路径
  if (patchFlag > 0) {
    // 快速路径：根据patchFlag更新
    if (patchFlag & PatchFlags.KEYED_FRAGMENT) {
      // 有key的片段，使用keyed diff
      patchKeyedChildren(c1, c2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
      return
    } else if (patchFlag & PatchFlags.UNKEYED_FRAGMENT) {
      // 没有key的片段，使用unkeyed diff
      patchUnkeyedChildren(c1, c2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
      return
    }
  }
  
  // 完整Diff：根据children类型执行不同的补丁操作
  // ... 完整Diff逻辑
}

/**
 * 补丁有key的子节点（核心Diff算法）
 * @param c1 旧children
 * @param c2 新children
 * @param container 容器
 * @param anchor 锚点
 * @param parentComponent 父组件
 * @param parentSuspense 父悬念
 * @param namespace 命名空间
 * @param slotScopeIds 插槽作用域id
 * @param optimized 是否优化
 */
const patchKeyedChildren = (c1: VNode[], c2: VNode[], container: RendererElement, parentAnchor: RendererNode | null, parentComponent: ComponentInternalInstance | null, parentSuspense: SuspenseBoundary | null, namespace: RendererNamespace | null, slotScopeIds: string[] | null, optimized: boolean) => {
  let i = 0
  const l2 = c2.length
  let e1 = c1.length - 1 // 旧children的最后一个索引
  let e2 = l2 - 1 // 新children的最后一个索引
  
  // 1. 从头部开始比较相同的节点
  while (i <= e1 && i <= e2) {
    const n1 = c1[i]
    const n2 = c2[i]
    if (isSameVNodeType(n1, n2)) {
      // 节点类型相同，执行补丁
      patch(n1, n2, container, null, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
    } else {
      // 节点类型不同，跳出循环
      break
    }
    i++
  }
  
  // 2. 从尾部开始比较相同的节点
  while (i <= e1 && i <= e2) {
    const n1 = c1[e1]
    const n2 = c2[e2]
    if (isSameVNodeType(n1, n2)) {
      // 节点类型相同，执行补丁
      patch(n1, n2, container, null, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
    } else {
      // 节点类型不同，跳出循环
      break
    }
    e1--
    e2--
  }
  
  // 3. 旧children遍历完，新children还有剩余，添加新节点
  if (i > e1) {
    if (i <= e2) {
      const nextPos = e2 + 1
      const anchor = nextPos < l2 ? c2[nextPos].el : parentAnchor
      while (i <= e2) {
        patch(null, c2[i], container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
        i++
      }
    }
  }
  // 4. 新children遍历完，旧children还有剩余，移除旧节点
  else if (i > e2) {
    while (i <= e1) {
      unmount(c1[i], parentComponent, parentSuspense, true)
      i++
    }
  }
  // 5. 中间部分有差异，使用key进行匹配
  else {
    // 创建新children的key到索引的映射
    const s1 = i // 旧children中间部分的起始索引
    const s2 = i // 新children中间部分的起始索引
    const keyToNewIndexMap = new Map()
    for (i = s2; i <= e2; i++) {
      const nextChild = c2[i]
      if (nextChild.key != null) {
        keyToNewIndexMap.set(nextChild.key, i)
      }
    }
    
    // 处理旧children的中间部分
    let j
    let patched = 0
    const toBePatched = e2 - s2 + 1
    let moved = false
    let maxNewIndexSoFar = 0
    const newIndexToOldIndexMap = new Array(toBePatched).fill(0)
    
    // 遍历旧children的中间部分
    for (i = s1; i <= e1; i++) {
      const prevChild = c1[i]
      if (patched >= toBePatched) {
        // 已经处理完所有需要补丁的节点，移除剩余旧节点
        unmount(prevChild, parentComponent, parentSuspense, true)
        continue
      }
      
      let newIndex
      if (prevChild.key != null) {
        // 有key，从映射中查找新索引
        newIndex = keyToNewIndexMap.get(prevChild.key)
      } else {
        // 没有key，遍历新children查找相同类型的节点
        for (j = s2; j <= e2; j++) {
          if (newIndexToOldIndexMap[j - s2] === 0 && isSameVNodeType(prevChild, c2[j])) {
            newIndex = j
            break
          }
        }
      }
      
      if (newIndex === undefined) {
        // 没有找到匹配的新节点，移除旧节点
        unmount(prevChild, parentComponent, parentSuspense, true)
      } else {
        // 找到匹配的新节点，更新映射
        newIndexToOldIndexMap[newIndex - s2] = i + 1
        
        // 检查是否有移动
        if (newIndex >= maxNewIndexSoFar) {
          maxNewIndexSoFar = newIndex
        } else {
          moved = true
        }
        
        // 执行补丁
        patch(prevChild, c2[newIndex], container, null, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
        patched++
      }
    }
    
    // 5. 移动和挂载新节点
    const increasingNewIndexSequence = moved ? getSequence(newIndexToOldIndexMap) : []
    j = increasingNewIndexSequence.length - 1
    
    // 从后往前遍历新children的中间部分
    for (i = toBePatched - 1; i >= 0; i--) {
      const nextIndex = s2 + i
      const nextChild = c2[nextIndex]
      const anchor = nextIndex + 1 < l2 ? c2[nextIndex + 1].el : parentAnchor
      
      if (newIndexToOldIndexMap[i] === 0) {
        // 新节点，挂载
        patch(null, nextChild, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, namespace, slotScopeIds, optimized)
      } else if (moved) {
        // 需要移动的节点
        if (j < 0 || i !== increasingNewIndexSequence[j]) {
          // 不在最长递增子序列中，需要移动
          hostInsert(nextChild.el!, container, anchor)
        } else {
          // 在最长递增子序列中，不需要移动
          j--
        }
      }
    }
  }
}

5. 最长递增子序列算法

Vue 3使用最长递增子序列算法来优化节点移动，减少DOM操作次数：

// packages/runtime-core/src/helpers/sequence.ts
/**
 * 获取最长递增子序列
 * @param arr 数组
 * @returns 最长递增子序列的索引数组
 */
export function getSequence(arr: number[]): number[] {
  const p = arr.slice()
  const result = [0]
  let i, j, u, v, c
  const len = arr.length
  
  for (i = 0; i < len; i++) {
    const arrI = arr[i]
    if (arrI !== 0) {
      j = result[result.length - 1]
      if (arr[j] < arrI) {
        p[i] = j
        result.push(i)
        continue
      }
      u = 0
      v = result.length - 1
      while (u < v) {
        c = (u + v) >> 1
        if (arr[result[c]] < arrI) {
          u = c + 1
        } else {
          v = c
        }
      }
      if (arrI < arr[result[u]]) {
        if (u > 0) {
          p[i] = result[u - 1]
        }
        result[u] = i
      }
    }
  }
  
  u = result.length
  v = result[u - 1]
  while (u-- > 0) {
    result[u] = v
    v = p[v]
  }
  
  return result
}

Diff算法优化

Vue 3的Diff算法相比Vue 2有了显著的优化：

1. 补丁标志（Patch Flags）：编译时标记动态内容，运行时只更新这些内容
2. 动态Children：只对动态子节点执行Diff，跳过静态节点
3. 最长递增子序列：优化节点移动，减少DOM操作次数
4. 静态提升：将静态内容提取到渲染函数外部，避免重复创建
5. 缓存事件处理函数：避免每次渲染都创建新的事件处理函数

实际应用场景

了解虚拟DOM和Diff算法的原理后，我们可以在实际开发中做出更好的决策：

1. 使用key属性：在v-for中使用唯一key属性，帮助Vue优化列表更新
2. 避免频繁修改DOM：尽量批量修改数据，减少渲染次数
3. 合理使用v-once和v-memo：对于不经常变化的内容，使用v-once或v-memo指令
4. 避免复杂表达式：复杂表达式会增加Diff算法的开销
5. 合理拆分组件：将复杂组件拆分为更小的组件，减少Diff的范围

总结

本集深入剖析了Vue 3虚拟DOM与Diff算法的源码实现，包括虚拟节点定义、VNode创建、渲染器核心和Diff算法等关键部分。Vue 3的虚拟DOM系统通过一系列优化，如补丁标志、动态Children和最长递增子序列算法，显著提升了渲染性能。

理解虚拟DOM和Diff算法的原理对于编写高效的Vue应用至关重要。通过合理使用Vue提供的优化手段，我们可以进一步提升应用的性能。

在后续的源码解析系列中，我们将继续深入探讨Vue 3的其他核心模块，包括组件初始化流程、生命周期实现等。