最近一两年前端最火的技术莫过于ReactJS,即便你没用过也该听过,ReactJS由业界顶尖的互联网公司facebook提出,其本身有很多先进的设计思路,比如页面UI组件化、虚拟DOM等。本文将带你解开虚拟DOM的神秘面纱,不仅要理解其原理,而且要实现一个基本可用的虚拟DOM。

1.为什么需要虚拟DOM

DOM是很慢的,其元素非常庞大,页面的性能问题鲜有由JS引起的,大部分都是由DOM操作引起的。如果对前端工作进行抽象的话,主要就是维护状态和更新视图;而更新视图和维护状态都需要DOM操作。其实近年来,前端的框架主要发展方向就是解放DOM操作的复杂性。

在jQuery出现以前,我们直接操作DOM结构,这种方法复杂度高,兼容性也较差;有了jQuery强大的选择器以及高度封装的API,我们可以更方便的操作DOM,jQuery帮我们处理兼容性问题,同时也使DOM操作变得简单;但是聪明的程序员不可能满足于此,各种MVVM框架应运而生,有angularJS、avalon、vue.js等,MVVM使用数据双向绑定,使得我们完全不需要操作DOM了,更新了状态视图会自动更新,更新了视图数据状态也会自动更新,可以说MMVM使得前端的开发效率大幅提升,但是其大量的事件绑定使得其在复杂场景下的执行性能堪忧;有没有一种兼顾开发效率和执行效率的方案呢?ReactJS就是一种不错的方案,虽然其将JS代码和HTML代码混合在一起的设计有不少争议,但是其引入的Virtual DOM(虚拟DOM)却是得到大家的一致认同的。

2.理解虚拟DOM

虚拟的DOM的核心思想是:对复杂的文档DOM结构,提供一种方便的工具,进行最小化地DOM操作。这句话,也许过于抽象,却基本概况了虚拟DOM的设计思想

(1) 提供一种方便的工具,使得开发效率得到保证
(2) 保证最小化的DOM操作,使得执行效率得到保证

(1).用JS表示DOM结构

DOM很慢,而javascript很快,用javascript对象可以很容易地表示DOM节点。DOM节点包括标签、属性和子节点,通过VElement表示如下。

//虚拟dom,参数分别为标签名、属性对象、子DOM列表
var VElement = function(tagName, props, children) {
    //保证只能通过如下方式调用:new VElement
    if (!(this instanceof VElement)) {
        return new VElement(tagName, props, children);
    }

    //可以通过只传递tagName和children参数
    if (util.isArray(props)) {
        children = props;
        props = {};
    }

    //设置虚拟dom的相关属性
    this.tagName = tagName;
    this.props = props || {};
    this.children = children || [];
    this.key = props ? props.key : void 666;
    var count = 0;
    util.each(this.children, function(child, i) {
        if (child instanceof VElement) {
            count += child.count;
        } else {
            children[i] = '' + child;
        }
        count++;
    });
    this.count = count;
}

通过VElement,我们可以很简单地用javascript表示DOM结构。比如

var vdom = velement('div', { 'id': 'container' }, [
    velement('h1', { style: 'color:red' }, ['simple virtual dom']),
    velement('p', ['hello world']),
    velement('ul', [velement('li', ['item #1']), velement('li', ['item #2'])]),
]);

上面的javascript代码可以表示如下DOM结构:

<div id="container">
    <h1 style="color:red">simple virtual dom</h1>
    <p>hello world</p>
    <ul>
        <li>item #1</li>
        <li>item #2</li>
    </ul>   
</div>

同样我们可以很方便地根据虚拟DOM树构建出真实的DOM树。具体思路:根据虚拟DOM节点的属性和子节点递归地构建出真实的DOM树。见如下代码:

VElement.prototype.render = function() {
    //创建标签
    var el = document.createElement(this.tagName);
    //设置标签的属性
    var props = this.props;
    for (var propName in props) {
        var propValue = props[propName]
        util.setAttr(el, propName, propValue);
    }

    //依次创建子节点的标签
    util.each(this.children, function(child) {
        //如果子节点仍然为velement,则递归的创建子节点,否则直接创建文本类型节点
        var childEl = (child instanceof VElement) ? child.render() : document.createTextNode(child);
        el.appendChild(childEl);
    });

    return el;
}

对一个虚拟的DOM对象VElement,调用其原型的render方法,就可以产生一颗真实的DOM树。

    vdom.render();

既然我们可以用JS对象表示DOM结构,那么当数据状态发生变化而需要改变DOM结构时,我们先通过JS对象表示的虚拟DOM计算出实际DOM需要做的最小变动,然后再操作实际DOM,从而避免了粗放式的DOM操作带来的性能问题。

(2).比较两棵虚拟DOM树的差异

在用JS对象表示DOM结构后,当页面状态发生变化而需要操作DOM时,我们可以先通过虚拟DOM计算出对真实DOM的最小修改量,然后再修改真实DOM结构(因为真实DOM的操作代价太大)。

如下图所示,两个虚拟DOM之间的差异已经标红:

virtual dom difference

为了便于说明问题,我当然选取了最简单的DOM结构,两个简单DOM之间的差异似乎是显而易见的,但是真实场景下的DOM结构很复杂,我们必须借助于一个有效的DOM树比较算法。

设计一个diff算法有两个要点:

如何比较两个两棵DOM树
如何记录节点之间的差异

<1> 如何比较两个两棵DOM树

计算两棵树之间差异的常规算法复杂度为O(n3),一个文档的DOM结构有上百个节点是很正常的情况,这种复杂度无法应用于实际项目。针对前端的具体情况:我们很少跨级别的修改DOM节点,通常是修改节点的属性、调整子节点的顺序、添加子节点等。因此,我们只需要对同级别节点进行比较,避免了diff算法的复杂性。对同级别节点进行比较的常用方法是深度优先遍历:

function diff(oldTree, newTree) {
    //节点的遍历顺序
    var index = 0; 
    //在遍历过程中记录节点的差异
    var patches = {}; 
    //深度优先遍历两棵树
    dfsWalk(oldTree, newTree, index, patches); 
    return patches; 
}

<2>如何记录节点之间的差异

由于我们对DOM树采取的是同级比较,因此节点之间的差异可以归结为4种类型:

修改节点属性, 用PROPS表示
修改节点文本内容, 用TEXT表示
替换原有节点, 用REPLACE表示
调整子节点,包括移动、删除等,用REORDER表示

对于节点之间的差异,我们可以很方便地使用上述四种方式进行记录,比如当旧节点被替换时:

{type:REPLACE,node:newNode}

而当旧节点的属性被修改时:

{type:PROPS,props: newProps}

在深度优先遍历的过程中,每个节点都有一个编号,如果对应的节点有变化,只需要把相应变化的类别记录下来即可。下面是具体实现:

function dfsWalk(oldNode, newNode, index, patches) {
    var currentPatch = [];
    if (newNode === null) {
        //依赖listdiff算法进行标记为删除
    } else if (util.isString(oldNode) && util.isString(newNode)) {
        if (oldNode !== newNode) {
            //如果是文本节点则直接替换文本
            currentPatch.push({
                type: patch.TEXT,
                content: newNode
            });
        }
    } else if (oldNode.tagName === newNode.tagName && oldNode.key === newNode.key) {
        //节点类型相同
        //比较节点的属性是否相同
        var propsPatches = diffProps(oldNode, newNode);
        if (propsPatches) {
            currentPatch.push({
                type: patch.PROPS,
                props: propsPatches
            });
        }
        //比较子节点是否相同
        diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, patches, currentPatch);
    } else {
        //节点的类型不同,直接替换
        currentPatch.push({ type: patch.REPLACE, node: newNode });
    }

    if (currentPatch.length) {
        patches[index] = currentPatch;
    }
}

比如对上文图中的两颗虚拟DOM树,可以用如下数据结构记录它们之间的变化:

var patches = {
        1:{type:REPLACE,node:newNode}, //h1节点变成h5
        5:{type:REORDER,moves:changObj} //ul新增了子节点li
    }

(3).对真实DOM进行最小化修改

通过虚拟DOM计算出两颗真实DOM树之间的差异后,我们就可以修改真实的DOM结构了。上文深度优先遍历过程产生了用于记录两棵树之间差异的数据结构patches, 通过使用patches我们可以方便对真实DOM做最小化的修改。

//将差异应用到真实DOM
function applyPatches(node, currentPatches) {
    util.each(currentPatches, function(currentPatch) {
        switch (currentPatch.type) {
            //当修改类型为REPLACE时
            case REPLACE:
                var newNode = (typeof currentPatch.node === 'String')
                 ? document.createTextNode(currentPatch.node) 
                 : currentPatch.node.render();
                node.parentNode.replaceChild(newNode, node);
                break;
            //当修改类型为REORDER时
            case REORDER:
                reoderChildren(node, currentPatch.moves);
                break;
            //当修改类型为PROPS时
            case PROPS:
                setProps(node, currentPatch.props);
                break;
            //当修改类型为TEXT时
            case TEXT:
                if (node.textContent) {
                    node.textContent = currentPatch.content;
                } else {
                    node.nodeValue = currentPatch.content;
                }
                break;
            default:
                throw new Error('Unknow patch type ' + currentPatch.type);
        }
    });
}

至此,虚拟DOM的基本原理已经基本讲解完成了;我们也一起实现了一个基本可用的虚拟DOM。本文中只给出了关键的源代码,全部源代码请参考我的github

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