第203集:虚拟DOM与Diff算法
概述
虚拟DOM是Vue 3的核心特性之一,它是一种轻量级的JavaScript对象,用于描述真实DOM的结构。Diff算法则是虚拟DOM的核心,用于比较新旧虚拟DOM树的差异,并高效地更新真实DOM。本集将深入分析Vue 3的虚拟DOM实现和Diff算法原理,包括核心概念、数据结构、Diff算法流程和源码实现。
核心概念
1. 虚拟DOM基础
- 虚拟DOM:轻量级的JavaScript对象,描述真实DOM的结构
- VNode:虚拟DOM节点,是虚拟DOM树的基本单元
- 渲染函数:用于生成虚拟DOM的JavaScript函数
- Diff算法:比较新旧虚拟DOM树差异的算法
- Patch:根据差异更新真实DOM的过程
2. 虚拟DOM优势
- 跨平台:可以渲染到不同的平台,如浏览器、服务器、移动端等
- 性能优化:减少直接操作DOM的次数,提高渲染性能
- 组件化:支持组件化开发,提高代码复用性
- 状态管理:便于管理组件状态和生命周期
3. Diff算法原则
- 只比较同层级节点:不跨层级比较,减少比较次数
- 类型相同才比较:不同类型的节点直接替换
- 使用key进行高效比较:通过key标识节点,提高比较效率
- 移动节点而非创建:对于相同类型的节点,尽量移动而非重新创建
虚拟DOM数据结构
1. VNode类型
Vue 3中的VNode有多种类型,包括:
- 元素节点:表示HTML元素
- 文本节点:表示文本内容
- 注释节点:表示注释
- 组件节点:表示Vue组件
- 片段节点:表示Fragment,用于渲染多个根节点
- 静态节点:表示不会变化的节点
2. VNode结构
// VNode的核心结构
interface VNode {
// 节点类型
type: string | Component | Symbol | Function
// 节点属性
props: Record<string, any> | null
// 子节点
children: VNode[] | string | null
// 节点标识
key: string | number | null
// 节点补丁标记
patchFlag: number
// 动态属性名称
dynamicProps: string[] | null
// 动态子节点
dynamicChildren: VNode[] | null
// 其他属性...
}3. PatchFlag
PatchFlag是Vue 3优化虚拟DOM更新的重要特性,用于标记节点的动态部分,在Diff过程中只处理动态部分。
// PatchFlag枚举
export const enum PatchFlags {
// 无动态部分
TEXT = 1, // 动态文本
CLASS = 1 << 1, // 动态类
STYLE = 1 << 2, // 动态样式
PROPS = 1 << 3, // 动态属性
FULL_PROPS = 1 << 4, // 所有属性都动态
HYDRATE_EVENTS = 1 << 5, // hydration事件
STABLE_FRAGMENT = 1 << 6, // 稳定的片段
KEYED_FRAGMENT = 1 << 7, // 带key的片段
UNKEYED_FRAGMENT = 1 << 8, // 不带key的片段
NEED_PATCH = 1 << 9, // 需要补丁
DYNAMIC_SLOTS = 1 << 10, // 动态插槽
HOISTED = -1, // 静态节点,已提升
BAIL = -2, // 退出优化
}Diff算法实现
1. Diff算法核心流程
Vue 3的Diff算法主要包含以下几个核心步骤:
- 同类型节点比较:如果新旧节点类型相同,进行详细比较
- 不同类型节点替换:如果新旧节点类型不同,直接替换
- 子节点比较:
- 无子节点:直接处理
- 文本节点:更新文本内容
- 虚拟节点数组:调用updateChildren进行比较
2. updateChildren算法
updateChildren是Vue 3 Diff算法的核心,用于比较两个虚拟节点数组的差异。它采用了双端比较算法,通过四个指针(旧首、旧尾、新首、新尾)来进行高效比较。
// updateChildren算法核心流程
export function updateChildren(
n1: VNode, // 旧节点
n2: VNode, // 新节点
container: RendererElement, // 容器
anchor: RendererNode | null, // 锚点
parentComponent: ComponentInternalInstance | null, // 父组件
parentSuspense: SuspenseBoundary | null, // 父Suspense
isSVG: boolean, // 是否是SVG
slotScopeIds: string[] | null, // 插槽作用域ID
optimized: boolean // 是否优化
) {
// 旧子节点数组
const c1 = n1 && n1.children as VNode[]
// 新子节点数组
const c2 = n2.children as VNode[]
// 旧子节点数量
const l1 = c1 ? c1.length : 0
// 新子节点数量
const l2 = c2.length
// 初始化四个指针
let i = 0 // 当前索引
let e1 = l1 - 1 // 旧尾指针
let e2 = l2 - 1 // 新尾指针
let s1 = 0 // 旧首指针
let s2 = 0 // 新首指针
// 循环比较,直到其中一个数组遍历完成
while (s1 <= e1 && s2 <= e2) {
// 跳过空节点
if (isUndef(c1[s1])) {
s1++
} else if (isUndef(c1[e1])) {
e1--
} else if (isSameVNodeType(c1[s1], c2[s2])) {
// 旧首和新首相同,递归比较
patch(
c1[s1],
c2[s2],
container,
null,
parentComponent,
parentSuspense,
isSVG,
slotScopeIds,
optimized
)
s1++
s2++
} else if (isSameVNodeType(c1[e1], c2[e2])) {
// 旧尾和新尾相同,递归比较
patch(
c1[e1],
c2[e2],
container,
null,
parentComponent,
parentSuspense,
isSVG,
slotScopeIds,
optimized
)
e1--
e2--
} else if (isSameVNodeType(c1[s1], c2[e2])) {
// 旧首和新尾相同,移动节点到旧尾之后
patch(
c1[s1],
c2[e2],
container,
c1[e1].el,
parentComponent,
parentSuspense,
isSVG,
slotScopeIds,
optimized
)
// 移动真实DOM节点
hostInsert(c1[s1].el!, hostNextSibling(c1[e1].el!))
s1++
e2--
} else if (isSameVNodeType(c1[e1], c2[s2])) {
// 旧尾和新首相同,移动节点到旧首之前
patch(
c1[e1],
c2[s2],
container,
c1[s1].el,
parentComponent,
parentSuspense,
isSVG,
slotScopeIds,
optimized
)
// 移动真实DOM节点
hostInsert(c1[e1].el!, c1[s1].el!)
e1--
s2++
} else {
// 以上情况都不匹配,使用key进行比较
// ... 基于key的比较逻辑
}
}
// 处理剩余节点
// ...
}3. 基于key的比较
当双端比较算法无法匹配节点时,Vue 3会使用key进行更高效的比较。它会创建一个key到索引的映射,然后根据映射查找匹配的节点。
// 基于key的比较逻辑
// 创建新子节点的key到索引的映射
const keyToNewIndexMap: Map<string | number, number> = new Map()
for (i = s2; i <= e2; i++) {
const nextChild = c2[i]
if (nextChild.key != null) {
keyToNewIndexMap.set(nextChild.key, i)
}
}
// 遍历旧子节点,查找匹配的新子节点
let j
let patched = 0
const toBePatched = e2 - s2 + 1
let moved = false
let maxNewIndexSoFar = 0
// 记录新子节点在旧子节点中的位置
const newIndexToOldIndexMap = new Array(toBePatched).fill(0)
for (i = s1; i <= e1; i++) {
const prevChild = c1[i]
if (patched >= toBePatched) {
// 已经处理完所有新子节点,剩余旧子节点删除
unmount(prevChild, parentComponent, parentSuspense, true)
continue
}
let newIndex
if (prevChild.key != null) {
// 通过key查找新子节点
newIndex = keyToNewIndexMap.get(prevChild.key)
} else {
// 没有key,遍历查找
for (j = s2; j <= e2; j++) {
if (newIndexToOldIndexMap[j - s2] === 0 && isSameVNodeType(prevChild, c2[j])) {
newIndex = j
break
}
}
}
if (newIndex === undefined) {
// 没有匹配的新子节点,删除旧子节点
unmount(prevChild, parentComponent, parentSuspense, true)
} else {
// 记录新子节点在旧子节点中的位置
newIndexToOldIndexMap[newIndex - s2] = i + 1
// 检查是否需要移动节点
if (newIndex >= maxNewIndexSoFar) {
maxNewIndexSoFar = newIndex
} else {
moved = true
}
// 递归比较节点
patch(
prevChild,
c2[newIndex],
container,
null,
parentComponent,
parentSuspense,
isSVG,
slotScopeIds,
optimized
)
patched++
}
}
// 处理需要移动的节点
// ...虚拟DOM渲染流程
1. 渲染流程概述
Vue 3的虚拟DOM渲染流程主要包含以下几个步骤:
- 创建VNode:通过渲染函数创建虚拟DOM节点
- Diff比较:比较新旧虚拟DOM树的差异
- 生成Patch:根据差异生成Patch操作
- 执行Patch:根据Patch操作更新真实DOM
2. 渲染函数示例
// 简单的渲染函数示例
function render() {
return h('div', {
class: 'container'
}, [
h('h1', 'Hello Vue 3'),
h('p', 'Virtual DOM and Diff Algorithm')
])
}
// h函数用于创建VNode
export function h(type: any, props?: any, children?: any): VNode {
// 创建并返回VNode
return createVNode(type, props, children)
}3. VNode创建过程
// createVNode函数:创建VNode
export function createVNode(
type: any,
props: any = null,
children: any = null
): VNode {
// 标准化props
if (props) {
// 处理props,如移除__vInternal等
// ...
}
// 标准化children
const normalizedProps = props || null
const normalizedChildren = normalizeChildren(children)
// 创建VNode
const vnode: VNode = {
type,
props: normalizedProps,
children: normalizedChildren,
key: normalizedProps && normalizedProps.key != null ? normalizedProps.key : null,
patchFlag: 0,
dynamicProps: null,
dynamicChildren: null,
// 其他属性...
}
// 优化VNode,生成patchFlag等
if (shouldTrack > 0 && !isServerRendering()) {
trackVNodeCreation(vnode)
}
return vnode
}Diff算法优化
1. 静态节点优化
Vue 3通过标记静态节点,避免对静态节点进行Diff比较和更新,提高渲染性能。
// 静态节点示例
const staticVNode = createVNode('div', null, 'Static Content', PatchFlags.HOISTED)2. PatchFlag优化
Vue 3通过PatchFlag标记节点的动态部分,在Diff过程中只处理动态部分,减少比较次数。
// 带PatchFlag的VNode示例
const dynamicVNode = createVNode('div', {
class: dynamicClass
}, dynamicText, PatchFlags.CLASS | PatchFlags.TEXT)3. 动态子节点优化
Vue 3通过dynamicChildren属性记录动态子节点,在Diff过程中只比较动态子节点,提高比较效率。
// 动态子节点示例
const dynamicChildrenVNode = createVNode('div', null, [
createVNode('h1', null, 'Static Title'),
createVNode('p', null, dynamicText, PatchFlags.TEXT)
])
// dynamicChildrenVNode.dynamicChildren = [pVNode]4. 编译时优化
Vue 3在编译阶段进行了大量优化,如静态节点提升、PatchFlag生成、动态子节点标记等,提高运行时的渲染性能。
实际应用场景
1. 组件渲染
Vue 3组件的渲染过程就是生成虚拟DOM并进行Diff比较的过程。
<template>
<div>
<h1>{{ title }}</h1>
<ul>
<li v-for="item in list" :key="item.id">{{ item.name }}</li>
</ul>
</div>
</template>
<script setup>
import { ref } from 'vue'
const title = ref('Vue 3 Virtual DOM')
const list = ref([
{ id: 1, name: 'Item 1' },
{ id: 2, name: 'Item 2' },
{ id: 3, name: 'Item 3' }
])
</script>2. 手动创建VNode
在某些场景下,我们需要手动创建VNode,例如自定义渲染函数或优化性能。
import { h, createApp } from 'vue'
// 手动创建VNode
const vnode = h('div', {
class: 'container'
}, [
h('h1', 'Hello Vue 3'),
h('p', 'Manual VNode Creation')
])
// 挂载VNode
const app = createApp({ render: () => vnode })
app.mount('#app')3. 自定义渲染器
Vue 3支持自定义渲染器,可以将虚拟DOM渲染到不同的平台。
import { createRenderer } from 'vue'
// 自定义渲染器配置
const renderer = createRenderer({
// 创建元素
createElement(tag) {
// 自定义创建元素逻辑
return { tag }
},
// 设置元素属性
patchProp(el, key, prevValue, nextValue) {
// 自定义设置属性逻辑
el[key] = nextValue
},
// 插入元素
insert(el, parent, anchor) {
// 自定义插入元素逻辑
parent.children.push(el)
},
// 其他渲染器方法...
})
// 使用自定义渲染器创建应用
const app = renderer.createApp({
template: '<div>{{ count }}</div>',
data() {
return { count: 0 }
}
})
// 挂载应用
app.mount({ children: [] })性能优化建议
1. 合理使用key
在使用v-for时,应该为每个节点提供唯一的key,提高Diff算法的效率。
<!-- 推荐:使用唯一id作为key -->
<li v-for="item in list" :key="item.id">{{ item.name }}</li>
<!-- 不推荐:使用索引作为key -->
<li v-for="(item, index) in list" :key="index">{{ item.name }}</li>2. 避免频繁创建VNode
应该避免在渲染函数中频繁创建VNode,特别是在循环中。
<!-- 推荐:使用组件复用 -->
<my-component v-for="item in list" :key="item.id" :item="item" />
<!-- 不推荐:在循环中创建复杂VNode -->
<div v-for="item in list" :key="item.id">
<h3>{{ item.title }}</h3>
<p>{{ item.content }}</p>
<!-- 复杂的VNode结构 -->
</div>3. 使用静态节点
对于不会变化的内容,应该使用静态节点,避免不必要的Diff比较。
<!-- 推荐:使用静态内容 -->
<div>
<h1>静态标题</h1>
<p>{{ dynamicContent }}</p>
</div>
<!-- 不推荐:将静态内容与动态内容混合 -->
<div>
<h1>{{ '静态标题' }}</h1>
<p>{{ dynamicContent }}</p>
</div>总结
Vue 3的虚拟DOM和Diff算法是其核心特性之一,通过虚拟DOM实现了跨平台渲染和性能优化。Diff算法采用了双端比较和基于key的比较策略,提高了比较效率。Vue 3还通过静态节点优化、PatchFlag优化、动态子节点优化等手段,进一步提高了渲染性能。
理解Vue 3的虚拟DOM和Diff算法,有助于我们更好地使用Vue 3进行开发,并在遇到性能问题时能够快速定位和解决。同时,也有助于我们理解Vue 3的设计理念和工作机制。