Vue源码学习之响应式是如何实现的

前言

作为前端开发，我们的日常工作就是将数据渲染到页面处理用户交互。在 Vue 中，数据变化时页面会重新渲染，比如我们在页面上显示一个数字，旁边有一个点击按钮，每次点击一下按钮，页面上所显示的数字会加一，这要怎么去实现呢？
按照原生 JS 的逻辑想一想，我们应该做三件事：监听点击事件，在事件处理函数中修改数据，然后手动去修改 DOM 重新渲染，这和我们使用 Vue 的最大区别在于多了一步【手动去修改DOM重新渲染】，这一步看起来简单，但我们得考虑几个问题：

需要修改哪个 DOM ？
数据每变化一次就需要去修改一次 DOM 吗？
怎么去保证修改 DOM 的性能？

所以要实现一个响应式系统并不简单，来结合 Vue 源码学习一下 Vue 中优秀的思想叭～

一、一个响应式系统的关键要素

1、如何监听数据变化

显然通过监听所有用户交互事件来获取数据变化是非常繁琐的，且有些数据的变动也不一定是用户触发的，那Vue是怎么监听数据变化的呢？—— Object.defineProperty

Object.defineProperty 方法为什么能监听数据变化？该方法可以直接在一个对象上定义一个新属性，或者修改一个对象的现有属性，并返回这个对象，先来看一下它的语法：

Object.defineProperty(obj, prop, descriptor)
// obj是传入的对象，prop是要定义或修改的属性，descriptor是属性描述符

这里比较核心的是 descriptor，它有很多可选键值。这里我们最关心的是 get 和 set，其中 get 是一个给属性提供的 getter 方法，当我们访问了该属性的时候会触发 getter 方法；set 是一个给属性提供的 setter 方法，当我们对该属性做修改的时候会触发 setter 方法。

简言之，一旦一个数据对象拥有了 getter 和 setter，我们就可以轻松监听它的变化了，并可将其称之为响应式对象。具体怎么做呢？

function observe(data) {
  if (isObject(data)) {
    Object.keys(data).forEach(key => {
      defineReactive(data, key)
    })
  }
}

function defineReactive(obj, prop) {
  let val = obj[prop]
  let dep = new Dep() // 用来收集依赖
  Object.defineProperty(obj, prop, {
    get() {
      // 访问对象属性了，说明依赖当前对象属性，把依赖收集起来
      dep.depend()
      return val
    }
    set(newVal) {
      if (newVal === val) return
      // 数据被修改了，该通知相关人员更新相应的视图了
      val = newVal
      dep.notify()     
    }
  }) 
  // 深层监听
  if (isObject(val)) {
    observe(val)
  }
  return obj
}

这里我们需要一个 Dep 类（dependency）来做依赖收集

PS：Object.defineProperty 只能监听已存在的属性，对于新增的属性就无能为力了，同时无法监听数组的变化（Vue2中通过重写数组原型上的方法解决这一问题），所以在 Vue3 中将其换成了功能更强大的Proxy。

2、如何进行依赖收集——实现 Dep 类

基于构造函数实现：

function Dep() {
  // 用deps数组来存储各项依赖
  this.deps = []
}
// Dep.target用来记录正在运行的watcher实例，这是一个全局唯一的 Watcher 
// 这是一个非常巧妙的设计，因为JS是单线程的，在同一时间只能有一个全局的 Watcher 被计算
Dep.target = null

// 在原型上定义depend方法，每个实例都能访问
Dep.prototype.depend = function() {
  if (Dep.target) {
    this.deps.push(Dep.target)
  }
}
// 在原型上定义notify方法，用于通知watcher更新
Dep.prototype.notify = function() {
  this.deps.forEach(watcher => {
    watcher.update()
  })
}
// Vue中会有嵌套的逻辑，比如组件嵌套，所以利用栈来记录嵌套的watcher 
// 栈，先入后出 
const targetStack = [] 
function pushTarget(_target) { 
  if (Dep.target) targetStack.push(Dep.target) 
  Dep.target = _target 
} 
function popTarget() { 
  Dep.target = targetStack.pop() 
}

这里主要理解原型上的两个方法：depend 和 notify，一个用于添加依赖，一个用于通知更新。我们说收集“依赖”，那 this.deps 数组里到底存的是啥东西啊？Vue 设置了 Watcher 的概念用作依赖表示，即 this.deps 里收集的是一个个 Watcher。

3、数据变化时如何更新——实现 Watcher 类

Watcher，在Vue中有三种类型，分别用于页面渲染以及computed和watch这两个API，为了区分，将不同用处的 Watcher 分别称为 renderWatcher、computedWatcher 和 watchWatcher。

用 class 实现一下：

class Watcher {
  constructor(expOrFn) {
    // 这里传入参数不是函数时需要解析，parsePath略
    this.getter = typeof expOrFn === 'function' ? expOrFn : parsePath(expOrFn)
    this.get()
  }
  // class中定义函数不需要写function
  get() {
    // 执行到这时，this是当前的watcher实例，也是Dep.target
    pushTarget(this)
    this.value = this.getter()
    popTarget()
  }
  update() {
    this.get()
  }
}

到这里，一个简单的响应式系统就成形了，总结来说：Object.defineProperty 让我们能够知道谁访问了数据以及什么时候数据发生变化，Dep 可以记录都有哪些 DOM 和某个数据有关，Watcher 可以在数据变化的时候通知 DOM 去更新。
Watcher 和 Dep 是一个非常经典的观察者设计模式的实现。

二、虚拟 DOM 和 diff

1、虚拟 DOM 是什么？

虚拟 DOM 是用 JS 中的对象来表示真实的DOM，如果有数据变动，先在虚拟 DOM 上改动，最后再去改动真实的DOM，good idea！

关于虚拟 DOM 的优势，还是听尤大的：

在我看来 Virtual DOM 真正的价值从来都不是性能，而是它 1) 为函数式的 UI 编程方式打开了大门；2) 可以渲染到 DOM 以外的 backend。

举个例子：

<template>
  <div id="app" class="container">
    <h1>HELLO WORLD！</h1>
  </div>
</template>

// 对应的vnode 
{ 
  tag: 'div', 
  props: { id: 'app', class: 'container' }, 
  children: { tag: 'h1', children: 'HELLO WORLD！' } 
}

我们可以这样去定义：

function VNode(tag, data, childern, text, elm) { 
  this.tag = tag 
  this.data = data 
  this.childern = childern 
  this.text = text 
  this.elm = elm // 对真实节点的引用 
}

2、diff 算法——新旧节点对比

数据变化时，会触发渲染 watcher 的回调，更新视图。Vue 源码中在更新视图时用 patch 方法比较新旧节点的异同。

（1）判断新旧节点是不是相同节点

function sameVNode()
function sameVnode(a, b) { 
  return a.key === b.key && 
  ( a.tag === b.tag && 
    a.isComment === b.isComment && 
    isDef(a.data) === isDef(b.data) && 
    sameInputType(a, b) 
  ) 
 }

（2）若新旧节点不同

替换旧节点：创建新节点 –> 删除旧节点

（3）若新旧节点相同

都没有子节点，好说
一个有子节点一个没有，好说，要么删除个子节点要么新增个子节点
都有子节点，这可就有点复杂了，执行updateChildren：

function updateChildren (parentElm, oldCh, newCh, insertedVnodeQueue, removeOnly) {
  let oldStartIdx = 0
  let newStartIdx = 0
  let oldEndIdx = oldCh.length - 1
  let oldStartVnode = oldCh[0]
  let oldEndVnode = oldCh[oldEndIdx]
  let newEndIdx = newCh.length - 1
  let newStartVnode = newCh[0]
  let newEndVnode = newCh[newEndIdx]
  let oldKeyToIdx, idxInOld, vnodeToMove, refElm
  // 以上是新旧Vnode的首尾指针、新旧Vnode的首尾节点

  while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {
    // 如果不满足这个while条件，表示新旧Vnode至少有一个已经遍历了一遍了，就退出循环
    if (isUndef(oldStartVnode)) {
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx] // Vnode has been moved left
    } else if (isUndef(oldEndVnode)) {
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
      // 比较旧的开头和新的开头是否是相同节点
      patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
      // 比较旧的结尾和新的结尾是否是相同节点
      patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue)
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) { // Vnode moved right
      // 比较旧的开头和新的结尾是否是相同节点
      patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue)
      canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, oldStartVnode.elm, nodeOps.nextSibling(oldEndVnode.elm))
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) { // Vnode moved left
      // 比较旧的结尾和新的开头是否是相同节点
      patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
      canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, oldEndVnode.elm, oldStartVnode.elm)
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    } else {
      // 设置key和不设置key的区别：
      // 不设key，newCh和oldCh只会进行头尾两端的相互比较，设key后，除了头尾两端的比较外，还会从用key生成的对象oldKeyToIdx中查找匹配的节点，所以为节点设置key可以更高效的利用dom。
      if (isUndef(oldKeyToIdx)) oldKeyToIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
      idxInOld = isDef(newStartVnode.key)
        ? oldKeyToIdx[newStartVnode.key]
        : findIdxInOld(newStartVnode, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
      // 抽取出oldVnode序列的带有key的节点放在map中，然后再遍历新的vnode序列
      // 判断该vnode的key是否在map中，若在则找到该key对应的oldVnode,如果此oldVnode与遍历到的vnode是sameVnode的话，则复用dom并移动dom节点位置
      if (isUndef(idxInOld)) { // New element
        createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm, false, newCh, newStartIdx)
      } else {
        vnodeToMove = oldCh[idxInOld]
        if (sameVnode(vnodeToMove, newStartVnode)) {
          patchVnode(vnodeToMove, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
          oldCh[idxInOld] = undefined
          canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, vnodeToMove.elm, oldStartVnode.elm)
        } else {
          // same key but different element. treat as new element
          createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm, false, newCh, newStartIdx)
        }
      }
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    }
  }
  if (oldStartIdx > oldEndIdx) {
    refElm = isUndef(newCh[newEndIdx + 1]) ? null : newCh[newEndIdx + 1].elm
    addVnodes(parentElm, refElm, newCh, newStartIdx, newEndIdx, insertedVnodeQueue)
  } else if (newStartIdx > newEndIdx) {
    removeVnodes(parentElm, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
  }
}

这里主要的逻辑是：新节点的头和尾与旧节点的头和尾分别比较，看是不是相同节点，如果是就直接patchVnode；否则的话，用一个 Map 存储旧节点的 key，然后遍历新节点的 key 看它们是不是在旧节点中存在，相同 key 那就复用；这里时间复杂度是O(n)，空间复杂度也是O(n)，用空间换时间～

diff 算法主要是为了减少更新量，找到最小差异部分 DOM ，只更新差异部分。

三、nextTick

所谓 nextTick，即下一个 tick，那 tick 是什么呢？

我们知道 JS 执行是单线程的，它处理异步逻辑是基于事件循环，主要分为以下几步：

所有同步任务都在主线程上执行，形成一个执行栈（execution context stack）；
主线程之外，还存在一个”任务队列”（task queue）。只要异步任务有了运行结果，就在”任务队列”之中放置一个事件；
一旦”执行栈”中的所有同步任务执行完毕，系统就会读取”任务队列”，看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务，于是结束等待状态，进入执行栈，开始执行；
主线程不断重复上面的第三步。

主线程的执行过程就是一个 tick，而所有的异步结果都是通过 “任务队列” 来调度。消息队列中存放的是一个个的任务（task）。规范中规定 task 分为两大类，分别是 macro task 和 micro task，并且每个 macro task 结束后，都要清空所有的 micro task。

for (macroTask of macroTaskQueue) { 
  // 1. Handle current MACRO-TASK 
  handleMacroTask()
  // 2. Handle all MICRO-TASK 
  for (microTask of microTaskQueue) { 
    handleMicroTask(microTask)
  } 
}

在浏览器环境中，常见的 macro task 有 setTimeout、MessageChannel、postMessage、setImmediate、setInterval；常见的 micro task 有 MutationObsever 和 Promise.then。

我们知道数据的变化到 DOM 的重新渲染是一个异步过程，发生在下一个 tick。比如我们平时在开发的过程中，从服务端接口去获取数据的时候，数据做了修改，如果我们的某些方法去依赖了数据修改后的 DOM 变化，我们就必须在 nextTick 后执行。比如下面的伪代码：

getData(res).then(() => { 
  this.xxx = res.data 
  this.$nextTick(() => { // 这里我们可以获取变化后的 DOM }) 
})

四、总结