一文说清「VirtualDOM」的含义与实现

摘要

随着 React 的兴起，Virtual DOM 的原理和实现也开始出现在各大厂面试和社区的文章中。其实这种做法早在 d3.js 中就有实现，是 react 生态的快速建立让它正式进入了广大开发者的视角。

在正式开始前，抛出几个问题来引导思路，这些问题也会在不同的小节中，逐步解决：

🤔️ 怎么理解 VDom？
🤔️ 如何表示 VDom？
🤔️ 如何比较 VDom 树，并且进行高效更新？

⚠️ 整理后的代码和效果图均存放在github.com/dongyuanxin。

如何理解 VDom？

曾经，前端常做的事情就是根据数据状态的更新，来更新界面视图。大家逐渐意识到，对于复杂视图的界面，频繁地更新 DOM，会造成回流或者重绘，引发性能下降，页面卡顿。

因此，我们需要方法避免频繁地更新 DOM 树。思路也很简单，即：对比 DOM 的差距，只更新需要部分节点，而不是更新一棵树。而实现这个算法的基础，就需要遍历 DOM 树的节点，来进行比较更新。

为了处理更快，不使用 DOM 对象，而是用 JS 对象来表示，它就像是 JS 和 DOM 之间的一层缓存。

如何表示 VDom？

借助 ES6 的 class，表示 VDom 语义化更强。一个基础的 VDom 需要有标签名、标签属性以及子节点，如下所示：

class Element {
  constructor(tagName, props, children) {
    this.tagName = tagName;
    this.props = props;
    this.children = children;
  }
}

为了更方便调用（不用每次都写new），将其封装返回实例的函数：

function el(tagName, props, children) {
  return new Element(tagName, props, children);
}

此时，如果想表达下面的 DOM 结构：

<div class="test">
  <span>span1</span>
</div>

用 VDom 就是：

// 子节点数组的元素可以是文本，也可以是VDom实例
const span = el("span", {}, ["span1"]);
const div = el("div", { class: "test" }, [span]);

之后在对比和更新两棵 VDom 树的时候，会涉及到将 VDom 渲染成真正的 Dom 节点。因此，为class Element增加render方法：

class Element {
  constructor(tagName, props, children) {
    this.tagName = tagName;
    this.props = props;
    this.children = children;
  }

  render() {
    const dom = document.createElement(this.tagName);
    // 设置标签属性值
    Reflect.ownKeys(this.props).forEach(name =>
      dom.setAttribute(name, this.props[name])
    );

    // 递归更新子节点
    this.children.forEach(child => {
      const childDom =
        child instanceof Element
          ? child.render()
          : document.createTextNode(child);
      dom.appendChild(childDom);
    });

    return dom;
  }
}

如何比较 VDom 树，并且进行高效更新？

前面已经说明了 VDom 的用法与含义，多个 VDom 就会组成一棵虚拟的 DOM 树。剩下需要做的就是：根据不同的情况，来进行树上节点的增删改的操作。这个过程是分为diff和patch：

diff：递归对比两棵 VDom 树的、对应位置的节点差异
patch：根据不同的差异，进行节点的更新

目前有两种思路，一种是先 diff 一遍，记录所有的差异，再统一进行 patch；另外一种是 diff 的同时，进行 patch。相较而言，第二种方法少了一次递归查询，以及不需要构造过多的对象，下面采取的是第二种思路。

变量的含义

将 diff 和 patch 的过程，放入updateEl方法中，这个方法的定义如下：

/**
 *
 * @param {HTMLElement} $parent
 * @param {Element} newNode
 * @param {Element} oldNode
 * @param {Number} index
 */
function updateEl($parent, newNode, oldNode, index = 0) {
  // ...
}

所有以$开头的变量，代表着真实的 DOM。

参数index表示oldNode在$parent的所有子节点构成的数组的下标位置。

情况 1：新增节点

如果 oldNode 为 undefined，说明 newNode 是一个新增的 DOM 节点。直接将其追加到 DOM 节点中即可：

function updateEl($parent, newNode, oldNode, index = 0) {
  if (!oldNode) {
    $parent.appendChild(newNode.render());
  }
}

情况 2：删除节点

如果 newNode 为 undefined，说明新的 VDom 树中，当前位置没有节点，因此需要将其从实际的 DOM 中删除。删除就调用$parent.removeChild()，通过index参数，可以拿到被删除元素的引用：

function updateEl($parent, newNode, oldNode, index = 0) {
  if (!oldNode) {
    $parent.appendChild(newNode.render());
  } else if (!newNode) {
    $parent.removeChild($parent.childNodes[index]);
  }
}

情况 3：变化节点

对比 oldNode 和 newNode，有 3 种情况，均可视为改变：

节点类型发生变化：文本变成 vdom；vdom 变成文本
新旧节点都是文本，内容发生改变
节点的属性值发生变化

首先，借助Symbol更好地语义化声明这三种变化：

const CHANGE_TYPE_TEXT = Symbol("text");
const CHANGE_TYPE_PROP = Symbol("props");
const CHANGE_TYPE_REPLACE = Symbol("replace");

针对节点属性发生改变，没有现成的 api 供我们批量更新。因此封装replaceAttribute，将新 vdom 的属性直接映射到 dom 结构上：

function replaceAttribute($node, removedAttrs, newAttrs) {
  if (!$node) {
    return;
  }

  Reflect.ownKeys(removedAttrs).forEach(attr => $node.removeAttribute(attr));
  Reflect.ownKeys(newAttrs).forEach(attr =>
    $node.setAttribute(attr, newAttrs[attr])
  );
}

编写checkChangeType函数判断变化的类型；如果没有变化，则返回空：

function checkChangeType(newNode, oldNode) {
  if (
    typeof newNode !== typeof oldNode ||
    newNode.tagName !== oldNode.tagName
  ) {
    return CHANGE_TYPE_REPLACE;
  }

  if (typeof newNode === "string") {
    if (newNode !== oldNode) {
      return CHANGE_TYPE_TEXT;
    }
    return;
  }

  const propsChanged = Reflect.ownKeys(newNode.props).reduce(
    (prev, name) => prev || oldNode.props[name] !== newNode.props[name],
    false
  );

  if (propsChanged) {
    return CHANGE_TYPE_PROP;
  }
  return;
}

在updateEl中，根据checkChangeType返回的变化类型，做对应的处理。如果类型为空，则不进行处理。具体逻辑如下：

function updateEl($parent, newNode, oldNode, index = 0) {
  let changeType = null;

  if (!oldNode) {
    $parent.appendChild(newNode.render());
  } else if (!newNode) {
    $parent.removeChild($parent.childNodes[index]);
  } else if ((changeType = checkChangeType(newNode, oldNode))) {
    if (changeType === CHANGE_TYPE_TEXT) {
      $parent.replaceChild(
        document.createTextNode(newNode),
        $parent.childNodes[index]
      );
    } else if (changeType === CHANGE_TYPE_REPLACE) {
      $parent.replaceChild(newNode.render(), $parent.childNodes[index]);
    } else if (changeType === CHANGE_TYPE_PROP) {
      replaceAttribute($parent.childNodes[index], oldNode.props, newNode.props);
    }
  }
}

情况 4：递归对子节点执行 Diff

如果情况 1、2、3 都没有命中，那么说明当前新旧节点自身没有变化。此时，需要遍历它们（Virtual Dom）的children数组（Dom 子节点），递归进行处理。

代码实现非常简单：

function updateEl($parent, newNode, oldNode, index = 0) {
  let changeType = null;

  if (!oldNode) {
    $parent.appendChild(newNode.render());
  } else if (!newNode) {
    $parent.removeChild($parent.childNodes[index]);
  } else if ((changeType = checkChangeType(newNode, oldNode))) {
    if (changeType === CHANGE_TYPE_TEXT) {
      $parent.replaceChild(
        document.createTextNode(newNode),
        $parent.childNodes[index]
      );
    } else if (changeType === CHANGE_TYPE_REPLACE) {
      $parent.replaceChild(newNode.render(), $parent.childNodes[index]);
    } else if (changeType === CHANGE_TYPE_PROP) {
      replaceAttribute($parent.childNodes[index], oldNode.props, newNode.props);
    }
  } else if (newNode.tagName) {
    const newLength = newNode.children.length;
    const oldLength = oldNode.children.length;
    for (let i = 0; i < newLength || i < oldLength; ++i) {
      updateEl(
        $parent.childNodes[index],
        newNode.children[i],
        oldNode.children[i],
        i
      );
    }
  }
}