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浅析虚拟dom原理并实现

charles_paul / 1662人阅读

摘要：虚拟原理流程简单概括有三点用模拟树，并渲染这个树比较新老树，得到比较的差异对象把差异对象应用到渲染的树。下面是流程图下面我们用代码一步步去实现一个流程图用模拟树并渲染到页面上其实虚拟，就是用对象结构的一种映射，下面我们一步步实现这个过程。

背景

大家都知道，在网页中浏览器资源开销最大便是DOM节点了，DOM很慢并且非常庞大，网页性能问题大多数都是有JavaScript修改DOM所引起的。我们使用Javascript来操纵DOM，操作效率往往很低，由于DOM被表示为树结构，每次DOM中的某些内容都会发生变化，因此对DOM的更改非常快，但更改后的元素，并且它的子项必须经过Reflow / Layout阶段，然后浏览器必须重新绘制更改，这很慢的。因此，回流/重绘的次数越多，您的应用程序就越卡顿。但是，Javascript运行速度很快，虚拟DOM是放在JS 和 HTML中间的一个层。它可以通过新旧DOM的对比，来获取对比之后的差异对象，然后有针对性的把差异部分真正地渲染到页面上，从而减少实际DOM操作，最终达到性能优化的目的。

虚拟dom原理流程

简单概括有三点：

用JavaScript模拟DOM树，并渲染这个DOM树

比较新老DOM树，得到比较的差异对象

把差异对象应用到渲染的DOM树。

下面是流程图：

下面我们用代码一步步去实现一个流程图

用JavaScript模拟DOM树并渲染到页面上

其实虚拟DOM，就是用JS对象结构的一种映射，下面我们一步步实现这个过程。

我们用JS很容易模拟一个DOM树的结构，例如用这样的一个函数createEl(tagName, props, children)来创建DOM结构。

</>复制代码 
  1. tagName标签名、props是属性的对象、children是子节点。

然后渲染到页面上，代码如下:

</>复制代码 
  1. const createEl = (tagName, props, children) => new CreactEl(tagName, props, children)
  2. const vdom = createEl("div", { "id": "box" }, [
  3.   createEl("h1", { style: "color: pink" }, ["I am H1"]),
  4.   createEl("ul", {class: "list"}, [createEl("li", ["#list1"]), createEl("li", ["#list2"])]),
  5.   createEl("p", ["I am p"])
  6. ])
  7. const rootnode = vdom.render()
  8. document.body.appendChild(rootnode)

通过上面的函数，调用vdom.render()这样子我们就很好的构建了如下所示的一个DOM树，然后渲染到页面上

</>复制代码 
  2.   
    I am H1
  3.   
    •     
    • #list1
    •     
    • #list2
    •   
  4.   
    I am p

下面我们看看CreactEl.js代码流程：

</>复制代码 
  1. import { setAttr } from "./utils"
  2. class CreateEl {
  3.   constructor (tagName, props, children) {
  4.     // 当只有两个参数的时候 例如 celement(el, [123])
  5.     if (Array.isArray(props)) {
  6.       children = props
  7.       props = {}
  8.     }
  9.     // tagName, props, children数据保存到this对象上
  10.     this.tagName = tagName
  11.     this.props = props || {}
  12.     this.children = children || []
  13.     this.key = props ? props.key : undefined
  14.     let count = 0
  15.     this.children.forEach(child => {
  16.       if (child instanceof CreateEl) {
  17.         count += child.count
  18.       } else {
  19.         child = "" + child
  20.       }
  21.       count++
  22.     })
  23.     // 给每一个节点设置一个count
  24.     this.count = count
  25.   }
  26.   // 构建一个 dom 树
  27.   render () {
  28.     // 创建dom
  29.     const el = document.createElement(this.tagName)
  30.     const props = this.props
  31.     // 循环所有属性，然后设置属性
  32.     for (let [key, val] of Object.entries(props)) {
  33.       setAttr(el, key, val)
  34.     }
  35.     this.children.forEach(child => {
  36.       // 递归循环 构建tree
  37.       let childEl = (child instanceof CreateEl) ? child.render() : document.createTextNode(child)
  38.       el.appendChild(childEl)
  39.     })
  40.     return el
  41.   }
  42. }

上面render函数的功能是把节点创建好，然后设置节点属性，最后递归创建。这样子我们就得到一个DOM树，然后插入(appendChild)到页面上。

比较新老dom树，得到比较的差异对象

上面，我们已经创建了一个DOM树，然后在创建一个不同的DOM树，然后做比较，得到比较的差异对象。

比较两棵DOM树的差异，是虚拟DOM的最核心部分，这也是人们常说的虚拟DOM的diff算法，两颗完全的树差异比较一个时间复杂度为 O(n^3)。但是在我们的web中很少用到跨层级DOM树的比较，所以一个层级跟一个层级对比，这样算法复杂度就可以达到 O(n)。如下图

其实在代码中，我们会从根节点开始标志遍历，遍历的时候把每个节点的差异(包括文本不同，属性不同，节点不同)记录保存起来。如下图：

两个节点之间的差异有总结起来有下面4种

</>复制代码 
  1. 0 直接替换原有节点
  2. 1 调整子节点，包括移动、删除等
  3. 2 修改节点属性
  4. 3 修改节点文本内容

如下面两棵树比较，把差异记录下来。

主要是简历一个遍历index（看图3），然后从根节点开始比较，比较万之后记录差异对象，继续从左子树比较，记录差异，一直遍历下去。主要流程如下

</>复制代码 
  1. // 这是比较两个树找到最小移动量的算法是Levenshtein距离，即O（n * m)
  2. // 具体请看 https://www.npmjs.com/package/list-diff2
  3. import listDiff from "list-diff2"
  4. // 比较两棵树
  5. function diff (oldTree, newTree) {
  6.   // 节点的遍历顺序
  7.   let index = 0
  8.   // 在遍历过程中记录节点的差异
  9.   let patches = {}
  10.   // 深度优先遍历两棵树
  11.   deepTraversal(oldTree, newTree, index, patches)
  12.   // 得到的差异对象返回出去
  13.   return patches
  14. }
  15. function deepTraversal(oldNode, newNode, index, patches) {
  16.   let currentPatch = []
  17.   // ...中间有很多对patches的处理
  18.   // 递归比较子节点是否相同
  19.   diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, patches, currentPatch)
  20.   if (currentPatch.length) {
  21.     // 那个index节点的差异记录下来
  22.     patches[index] = currentPatch
  23.   }
  24. }
  25. // 子数的diff
  26. function diffChildren (oldChildren, newChildren, index, patches, currentPatch) {
  27.   const diffs = listDiff(oldChildren, newChildren)
  28.   newChildren = diffs.children
  29.   // ...省略记录差异对象
  30.   let leftNode = null
  31.   let currentNodeIndex = index
  32.   oldChildren.forEach((child, i) => {
  33.     const newChild = newChildren[i]
  34.     // index相加
  35.     currentNodeIndex = (leftNode && leftNode.count) ? currentNodeIndex + leftNode.count + 1 : currentNodeIndex + 1
  36.     // 深度遍历，递归
  37.     deepTraversal(child, newChild, currentNodeIndex, patches)
  38.     // 从左树开始
  39.     leftNode = child
  40.   })
  41. }

然后我们调用完diff(tree, newTree)等到最后的差异对象是这样子的。

</>复制代码 
  1. {
  2.   "1": [
  3.     {
  4.       "type": 0,
  5.       "node": {
  6.         "tagName": "h3",
  7.         "props": {
  8.           "style": "color: green"
  9.         },
  10.         "children": [
  11.           "I am H1"
  12.         ],
  13.         "count": 1
  14.       }
  15.     }
  16.   ]
  17.   ...
  18. }

key是代表那个节点，这里我们是第二个，也就是h1会改变成h3，还有省略的两个差异对象代码没有贴出来~~

然后看下diff.js的完整代码，如下

</>复制代码 
  1. import listDiff from "list-diff2"
  2. // 每个节点有四种变动
  3. export const REPLACE = 0 // 替换原有节点
  4. export const REORDER = 1 // 调整子节点，包括移动、删除等
  5. export const PROPS = 2 // 修改节点属性
  6. export const TEXT = 3 // 修改节点文本内容
  7. export function diff (oldTree, newTree) {
  8.   // 节点的遍历顺序
  9.   let index = 0
  10.   // 在遍历过程中记录节点的差异
  11.   let patches = {}
  12.   // 深度优先遍历两棵树
  13.   deepTraversal(oldTree, newTree, index, patches)
  14.   // 得到的差异对象返回出去
  15.   return patches
  16. }
  17. function deepTraversal(oldNode, newNode, index, patches) {
  18.   let currentPatch = []
  19.   if (newNode === null) { // 如果新节点没有的话直接不用比较了
  20.     return
  21.   }
  22.   if (typeof oldNode === "string" && typeof newNode === "string") {
  23.     // 比较文本节点
  24.     if (oldNode !== newNode) {
  25.       currentPatch.push({
  26.         type: TEXT,
  27.         content: newNode
  28.       })
  29.     }
  30.   } else if (oldNode.tagName === newNode.tagName && oldNode.key === newNode.key) {
  31.     // 节点类型相同
  32.     // 比较节点的属性是否相同
  33.     let propasPatches = diffProps(oldNode, newNode)
  34.     if (propasPatches) {
  35.       currentPatch.push({
  36.         type: PROPS,
  37.         props: propsPatches
  38.       })
  39.     }
  40.     // 递归比较子节点是否相同
  41.     diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, patches, currentPatch)
  42.   } else {
  43.     // 节点不一样，直接替换
  44.     currentPatch.push({ type: REPLACE, node: newNode })
  45.   }
  46.   if (currentPatch.length) {
  47.     // 那个index节点的差异记录下来
  48.     patches[index] = currentPatch
  49.   }
  50. }
  51. // 子数的diff
  52. function diffChildren (oldChildren, newChildren, index, patches, currentPatch) {
  53.   var diffs = listDiff(oldChildren, newChildren)
  54.   newChildren = diffs.children
  55.   // 如果调整子节点，包括移动、删除等的话
  56.   if (diffs.moves.length) {
  57.     var reorderPatch = {
  58.       type: REORDER,
  59.       moves: diffs.moves
  60.     }
  61.     currentPatch.push(reorderPatch)
  62.   }
  63.   var leftNode = null
  64.   var currentNodeIndex = index
  65.   oldChildren.forEach((child, i) => {
  66.     var newChild = newChildren[i]
  67.     // index相加
  68.     currentNodeIndex = (leftNode && leftNode.count) ? currentNodeIndex + leftNode.count + 1 : currentNodeIndex + 1
  69.     // 深度遍历，从左树开始
  70.     deepTraversal(child, newChild, currentNodeIndex, patches)
  71.     // 从左树开始
  72.     leftNode = child
  73.   })
  74. }
  75. // 记录属性的差异
  76. function diffProps (oldNode, newNode) {
  77.   let count = 0 // 声明一个有没没有属性变更的标志
  78.   const oldProps = oldNode.props
  79.   const newProps = newNode.props
  80.   const propsPatches = {}
  81.   // 找出不同的属性
  82.   for (let [key, val] of Object.entries(oldProps)) {
  83.     // 新的不等于旧的
  84.     if (newProps[key] !== val) {
  85.       count++
  86.       propsPatches[key] = newProps[key]
  87.     }
  88.   }
  89.   // 找出新增的属性
  90.   for (let [key, val] of Object.entries(newProps)) {
  91.     if (!oldProps.hasOwnProperty(key)) {
  92.       count++
  93.       propsPatches[key] = val
  94.     }
  95.   }
  96.   // 没有新增 也没有不同的属性 直接返回null
  97.   if (count === 0) {
  98.     return null
  99.   }
  100.   return propsPatches
  101. }

得到差异对象之后，剩下就是把差异对象应用到我们的dom节点上面了。

把差异对象应用到渲染的dom树

到了这里其实就简单多了。我们上面得到的差异对象之后，然后选择同样的深度遍历，如果那个节点有差异的话，判断是上面4种中的哪一种，根据差异对象直接修改这个节点就可以了。

</>复制代码 
  1. function patch (node, patches) {
  2.   // 也是从0开始
  3.   const step = {
  4.     index: 0
  5.   }
  6.   // 深度遍历
  7.   deepTraversal(node, step, patches)
  8. }
  9. // 深度优先遍历dom结构
  10. function deepTraversal(node, step, patches) {
  11.   // 拿到当前差异对象
  12.   const currentPatches = patches[step.index]
  13.   const len = node.childNodes ? node.childNodes.length : 0
  14.   for (let i = 0; i < len; i++) {
  15.     const child = node.childNodes[i]
  16.     step.index++
  17.     deepTraversal(child, step, patches)
  18.   }
  19.   //如果当前节点存在差异
  20.   if (currentPatches) {
  21.     // 把差异对象应用到当前节点上
  22.     applyPatches(node, currentPatches)
  23.   }
  24. }

这样子，调用patch(rootnode, patches)就直接有针对性的改变有差异的节点了。

path.js完整代码如下：

</>复制代码 
  1. import {REPLACE, REORDER, PROPS, TEXT} from "./diff"
  2. import { setAttr } from "./utils"
  3. export function patch (node, patches) {
  4.   // 也是从0开始
  5.   const step = {
  6.     index: 0
  7.   }
  8.   // 深度遍历
  9.   deepTraversal(node, step, patches)
  10. }
  11. // 深度优先遍历dom结构
  12. function deepTraversal(node, step, patches) {
  13.   // 拿到当前差异对象
  14.   const currentPatches = patches[step.index]
  15.   const len = node.childNodes ? node.childNodes.length : 0
  16.   for (let i = 0; i < len; i++) {
  17.     const child = node.childNodes[i]
  18.     step.index++
  19.     deepTraversal(child, step, patches)
  20.   }
  21.   //如果当前节点存在差异
  22.   if (currentPatches) {
  23.     // 把差异对象应用到当前节点上
  24.     applyPatches(node, currentPatches)
  25.   }
  26. }
  27. // 把差异对象应用到当前节点上
  28. function applyPatches(node, currentPatches) {
  29.   currentPatches.forEach(currentPatch => {
  30.     switch (currentPatch.type) {
  31.       // 0: 替换原有节点
  32.       case REPLACE:
  33.         var newNode = (typeof currentPatch.node === "string") ?  document.createTextNode(currentPatch.node) : currentPatch.node.render()
  34.         node.parentNode.replaceChild(newNode, node)
  35.         break
  36.       // 1: 调整子节点，包括移动、删除等
  37.       case REORDER: 
  38.         moveChildren(node, currentPatch.moves)
  39.         break
  40.       // 2: 修改节点属性
  41.       case PROPS:
  42.         for (let [key, val] of Object.entries(currentPatch.props)) {
  43.           if (val === undefined) {
  44.             node.removeAttribute(key)
  45.           } else {
  46.             setAttr(node, key, val)
  47.           }
  48.         }
  49.         break;
  50.       // 3：修改节点文本内容
  51.       case TEXT:
  52.         if (node.textContent) {
  53.           node.textContent = currentPatch.content
  54.         } else {
  55.           node.nodeValue = currentPatch.content
  56.         }
  57.         break;
  58.       default: 
  59.         throw new Error("Unknow patch type " + currentPatch.type);
  60.     }
  61.   })
  62. }
  63. // 调整子节点，包括移动、删除等
  64. function moveChildren (node, moves) {
  65.   let staticNodelist = Array.from(node.childNodes)
  66.   const maps = {}
  67.   staticNodelist.forEach(node => {
  68.     if (node.nodeType === 1) {
  69.       const key = node.getAttribute("key")
  70.       if (key) {
  71.         maps[key] = node
  72.       }
  73.     }
  74.   })
  75.   moves.forEach(move => {
  76.     const index = move.index
  77.     if (move.type === 0) { // 变动类型为删除的节点
  78.       if (staticNodeList[index] === node.childNodes[index]) {
  79.         node.removeChild(node.childNodes[index]);
  80.       }
  81.       staticNodeList.splice(index, 1);
  82.     } else {
  83.       let insertNode = maps[move.item.key] 
  84.           ? maps[move.item.key] : (typeof move.item === "object") 
  85.           ? move.item.render() : document.createTextNode(move.item)
  86.       staticNodelist.splice(index, 0, insertNode);
  87.       node.insertBefore(insertNode, node.childNodes[index] || null)
  88.     }
  89.   })
  90. }

到这里，最基本的虚拟DOM原理已经讲完了，也简单了实现了一个虚拟DOM，如果本文有什么不对的地方请指正。

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