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:

  1. 同类型节点比较:如果新旧节点类型相同,进行详细比较
  2. 不同类型节点替换:如果新旧节点类型不同,直接替换
  3. 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:

  1. 创建VNode:通过渲染函数创建虚拟DOM节点
  2. Diff比较:比较新旧虚拟DOM树的差异
  3. 生成Patch:根据差异生成Patch操作
  4. 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。

扩展阅读

  1. Vue 3官方文档 - 虚拟DOM
  2. Vue 3源码解析 - 虚拟DOM
  3. Vue 3源码解析 - Diff算法
  4. 虚拟DOM深入解析
  5. Diff算法原理
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