【Vue2.x源码系列08】Diff算法原理

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所属分类:Web前端
摘要

DOM是很慢的,其元素非常庞大,当我们频繁的去做 DOM更新,会产生一定的性能问题,我们可以直观感受一下 div元素包含的海量属性

在Javascript对象中,虚拟DOM 表现为一个 Object对象(以VNode 节点作为基础的树)。并且最少包含标签名tag、属性attrs和子元素对象children三个属性,不同框架对这三个属性的名命可能会有差别。


什么是虚拟DOM

DOM是很慢的,其元素非常庞大,当我们频繁的去做 DOM更新,会产生一定的性能问题,我们可以直观感受一下 div元素包含的海量属性
【Vue2.x源码系列08】Diff算法原理
在Javascript对象中,虚拟DOM 表现为一个 Object对象(以VNode 节点作为基础的树)。并且最少包含标签名tag、属性attrs和子元素对象children三个属性,不同框架对这三个属性的名命可能会有差别。

<ul style="color: #de5e60; border: 1px solid #de5e60">   <li key="a">a</li>   <li key="b">b</li>   <li key="c">c</li> </ul> 

真实节点对应的虚拟DOM:

const VDOM = {   tag: 'ul',   data: {     style: { color: '#de5e60', border: '1px solid #de5e60' },   },   children: [     {       tag: 'li',       key: 'a',       data: {},       children: [{ text: 'a' }],     },     {       tag: 'li',       key: 'b',       data: {},       children: [{ text: 'b'}],     },     {       tag: 'li',       key: 'c',       data: {},       children:  [{ text: 'c'}],     },   ], } 

我们常说虚拟DOM可以提升效率。这句话是不严谨的

通过虚拟DOM改变真正的 DOM并不比直接操作 DOM效率更高。恰恰相反,我们仍需要调用DOM API去操作 DOM,并且虚拟DOM还会额外占用内存!
【Vue2.x源码系列08】Diff算法原理
but!!!我们可以通过 虚拟DOM + diff算法,找到需要更新的最小单位,最大限度地减少DOM操作,从而提升性能。
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什么是Diff

Dom 是多叉树结构,完整对比两棵树的差异,时间复杂度是O(n³),这个复杂度会导致比对性能很差!
为了优化,Diff 算法约定只做同层级节点比对,而不是跨层级节点比对,即深度优先遍历算法,其复杂度为O(n)
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Diff原理

当数据修改后会触发setter劫持操作,我们在setter中执行dep.notity(),通知所有的订阅者watcher重新渲染。
订阅者watcher这时会在回调内部,通过vm._render()获取最新的虚拟DOM;然后通过patch方法比对新旧虚拟DOM,给真实元素打补丁,更新视图
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createElm

利用vnode创建真实元素,有一个巧妙的地方是,我们把真实元素挂载到了vnode上,便于我们后续通过虚拟节点去操作对应的真实元素

export function createElm(vnode) {   let { tag, data, children, text } = vnode   // 标签   if (typeof tag === 'string') {     // 将真实节点挂载到虚拟节点上     vnode.el = document.createElement(tag)      patchProps(vnode.el, {}, data)     children.forEach(child => {       vnode.el.appendChild(createElm(child))     })   } else {     // 文本     vnode.el = document.createTextNode(text)   }   return vnode.el } 

sameVnode

判断是否是相同节点,节点的tag和节点的key都相同

export function isSameVnode(vnode1, vnode2) {   return vnode1.tag === vnode2.tag && vnode1.key === vnode2.key } 

patch

patch方法有两大作用,一个是初始化元素 ,另一个是更新元素

export function patch(oldVNode, vnode) {   const isRealElement = oldVNode.nodeType   // 初渲染元素   if (isRealElement) {     const elm = oldVNode // 获取真实元素     const parentElm = elm.parentNode // 拿到父元素     let newElm = createElm(vnode) // 根据vnode创建元素      parentElm.insertBefore(newElm, elm.nextSibling) // 插入刚刚创建的元素     parentElm.removeChild(elm) // 删除旧节点     return newElm   } else {     // 更新元素     return patchVnode(oldVNode, vnode)   } } 

patchVnode

比对新旧虚拟节点打补丁,diff比对规则如下:

  1. 新旧节点不相同(判断节点的tag和节点的key),直接用新节点替换旧节点,无需比对
  2. 新旧节点相同,且都是文本节点,更新文本内容即可
  3. 新旧节点是同一个节点,比较两个节点的属性是否有差异,复用旧的节点,将差异的属性更新
  4. 节点比较完毕后,需要比较两个节点的儿子
    1. 新旧节点都有儿子,调用updateChildren(),这里是diff算法核心逻辑!后面会详细讲解
    2. 新节点有儿子,旧节点没有儿子,将新的子节点挂载到oldVNode.el
    3. 旧节点有儿子,新节点没有儿子,删除oldVNode.el的所有子节点
function patchVnode(oldVNode, vnode) {   // 1. 新旧节点不相同(判断节点的tag和节点的key),直接用新节点替换旧节点,无需比对   if (!isSameVnode(oldVNode, vnode)) {     let el = createElm(vnode)     oldVNode.el.parentNode.replaceChild(el, oldVNode.el)     return el   }   let el = (vnode.el = oldVNode.el)    // 2. 新旧节点相同,且是文本 (判断节点的tag和节点的key),比较文本内容   if (!oldVNode.tag) {     if (oldVNode.text !== vnode.text) {       el.textContent = vnode.text // 用新的文本覆盖掉旧的     }   }    // 3. 新旧节点相同,且是标签 (判断节点的tag和节点的key)   // 3.1 比较标签属性   patchProps(el, oldVNode.data, vnode.data)    let oldChildren = oldVNode.children || []   let newChildren = vnode.children || []   // 4 比较两个节点的儿子   // 4.1 新旧节点都有儿子   if (oldChildren.length > 0 && newChildren.length > 0) {     // diff算法核心!!!     updateChildren(el, oldChildren, newChildren)   }   // 4.2 新节点有儿子,旧节点没有儿子,挂载   else if (newChildren.length > 0) {     mountChildren(el, newChildren)   }   // 4.3 旧节点有儿子,新节点没有儿子,删除   else if (oldChildren.length > 0) {     el.innerHTML = ''   } } 

updateChildren(Diff核心算法)

这个方法是diff比对的核心!
vue2中采用了头尾双指针的方式,通过头头、尾尾、头尾、尾头、乱序五种比对方式,进行新旧虚拟节点的依次比对

在比对过程中,我们需要四个指针,分别指向新旧列表的头部和尾部。为了方便我们理解,我使用了不同颜色和方向的箭头加以区分,图例如下:
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双端比对

头头比对

旧孩子的头 比对 新孩子的头
如果是相同节点,则调用patchVnode打补丁并递归比较子节点;然后将 新旧列表的头指针 都向后移动

终止条件:双方有一方头指针大于尾指针,则停止循环

if (isSameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {   patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode)    oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]   newStartVnode = newChildren[++newStartIndex] } 

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尾尾比对

旧孩子的尾 和 新孩子的尾比较
如果是相同节点,则调用patchVnode打补丁并递归比较子节点;然后将 新旧列表的尾指针 都向前移动

终止条件:双方有一方头指针大于尾指针,则停止循环

else if (isSameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {   patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode)    oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]   newEndVnode = newChildren[--newEndIndex] } 

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头尾比对

旧孩子的头 和 新孩子的尾比较
如果是相同节点,则调用patchVnode打补丁并递归比较子节点;然后将 oldStartVnode 移动到 oldEndVnode 的后面(把 旧列表头指针指向的节点 移动到 旧列表尾指针指向的节点 后面)
最后把 旧列表头指针 向后移动,新列表尾指针 向前移动

终止条件:双方有一方头指针大于尾指针,则停止循环

else if (isSameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) {   patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode)   el.insertBefore(oldStartVnode.el, oldEndVnode.el.nextSibling)   oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]   newEndVnode = newChildren[--newEndIndex] } 

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尾头比对

旧孩子的尾 和 新孩子的头比较
如果是相同节点,则调用patchVnode打补丁并递归比较子节点;然后将 oldEndVnode 移动到 oldStartVnode 的前面(把 旧列表尾指针指向的节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面)
最后把 旧列表尾指针 向前移动,新列表头指针 向后移动

终止条件:双方有一方头指针大于尾指针,则停止循环

else if (isSameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) {   patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode)   el.insertBefore(oldEndVnode.el, oldStartVnode.el)   oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]   newStartVnode = newChildren[++newStartIndex] } 

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乱序比对

每次比对时,优先进行头头、尾尾、头尾、尾头的比对尝试,如果都没有命中才会进行乱序比较

  1. 我们根据旧的列表创建一个 key -> index 的映射表,拿新的儿子去映射关系里查找。注意:查找时只能找得到key相同的老节点,并没判断tag
  2. 若找的到相同key的老节点并且是相同节点,则复用节点移动到 oldStartVnode(旧列表头指针指向的节点)的前面,然后调用 patchVnode 打补丁递归比较子节点(移动走的老位置要做空标记,表示这个旧节点已经被移动过了,后续比对时可直接跳过此节点)
  3. 否则,创建节点并移动到 oldStartVnode(旧列表头指针指向的节点)的前面
  4. 只需将新列表头指针 向后移动即可
  5. 最后删除老列表中多余的节点,此过程在下一章挂载卸载阶段删除掉

终止条件:双方有一方头指针大于尾指针,则停止循环

----------------- 创建映射关系 ----------------------- function makeIndexByKey(children) {   let map = {}   children.forEach((child, index) => {     map[child.key] = index   })   return map } // 旧孩子映射表(key-index),用于乱序比对 let map = makeIndexByKey(oldChildren)  -------------------- 乱序比对 ------------------------- if (!oldStartVnode) {   oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]   continue } if (!oldEndVnode) {   oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]   continue }  let moveIndex = map[newStartVnode.key] // 找的到相同key的老节点,并且是相同节点 if (moveIndex !== undefined && isSameVnode(oldChildren[moveIndex], newStartVnode)) {   let moveVnode = oldChildren[moveIndex] // 复用旧的节点   el.insertBefore(moveVnode.el, oldStartVnode.el) // 将 moveVnode 移动到 oldStartVnode的前面(把复用节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面)   oldChildren[moveIndex] = undefined // 表示这个旧节点已经被移动过了   patchVnode(moveVnode, newStartVnode) // 递归比较子节点 }   // 找不到相同key的老节点 or 找的到相同key的老节点但tag不相同 else {   el.insertBefore(createElm(newStartVnode), oldStartVnode.el) // 将 创建的节点 移动到 oldStartVnode的前面(把创建的节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面) } newStartVnode = newChildren[++newStartIndex] 

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挂载卸载

终止条件:双方有一方头指针大于尾指针,则停止循环。当循环比对结束后,我们需要将新列表中多余的节点插入到oldVNode.el中,并将老列表中多余的节点删除掉。
我们将其划分为4种场景,可参考头头比对、尾尾比对章节的图辅助理解

  • 同序列尾部挂载:新列表头指针新列表尾指针 的节点需要挂载新增,向后追加
  • 同序列头部挂载:新列表头指针新列表尾指针 的节点需要挂载新增,向前追加
  • 同序列尾部卸载:旧列表头指针旧列表尾指针 的节点需要卸载删除
  • 同序列头部卸载: 和 同序列尾部卸载 逻辑一致

tip:何时向后追加,何时向前追加,我们根据什么去判断的呢?
新列表尾指针指向的节点 的下一个节点存在,则向前追加,插入到newChildren[newEndIndex + 1].el的前面;若不存在,则向后追加,插入到oldVNode.el子节点列表的末尾处

// 同序列尾部挂载,向后追加 // a b c d // a b c d e f // 同序列头部挂载,向前追加 //     a b c d // e f a b c d if (newStartIndex <= newEndIndex) {   for (let i = newStartIndex; i <= newEndIndex; i++) {     let childEl = createElm(newChildren[i])     // 这里可能是向后追加 ,也可能是向前追加     let anchor = newChildren[newEndIndex + 1] ? newChildren[newEndIndex + 1].el : null      el.insertBefore(childEl, anchor) // anchor为null的时候等同于 appendChild   } }  // 同序列尾部卸载,删除尾部多余的旧孩子 // a b c d e f // a b c d // 同序列头部卸载,删除头部多余的旧孩子 // e f a b c d //     a b c d if (oldStartIndex <= oldEndIndex) {   for (let i = oldStartIndex; i <= oldEndIndex; i++) {     if (oldChildren[i]) {       let childEl = oldChildren[i].el       el.removeChild(childEl)     }   } } 

总结

vue2采用了头尾双指针的方法,每次比对时,优先进行头头、尾尾、头尾、尾头的比对尝试,如果都没有命中才会进行乱序比对

当比对命中时(新旧节点是相同的),则调用patchVnode打补丁并递归比较子节点;打完补丁后呢,如果该节点是头指针指向的节点就向后移动指针,是尾指针指向的节点则向前移动指针
终止条件:双方有一方头指针大于尾指针,则停止循环

如果双端比对中的头尾、尾头命中了节点,也需要进行节点移动操作,为什么不直接用乱序比对呢,没理解其优势在哪?
但是双端diff相比于简单diff性能肯定会更好一些,例如:从 ABCDDABC简单diff需要移动 ABC 三个节点,但是双端diff只需要移动 D 一个节点

关于简单diff的介绍可移步此文章 - 聊聊 Vue 的双端 diff 算法

tip:vue3中并没有头尾、尾头比对的概念;新增了最长递增子序列算法去优化乱序比对,减少了乱序比对中节点的移动次数

updateChildren 核心代码如下:

function updateChildren(el, oldChildren, newChildren) {   let oldStartIndex = 0   let newStartIndex = 0   let oldEndIndex = oldChildren.length - 1   let newEndIndex = newChildren.length - 1    let oldStartVnode = oldChildren[0]   let newStartVnode = newChildren[0]    let oldEndVnode = oldChildren[oldEndIndex]   let newEndVnode = newChildren[newEndIndex]    function makeIndexByKey(children) {     let map = {}     children.forEach((child, index) => {       map[child.key] = index     })     return map   }   // 旧孩子映射表(key-index),用于乱序比对   let map = makeIndexByKey(oldChildren)    // 双方有一方头指针大于尾部指针,则停止循环   while (oldStartIndex <= oldEndIndex && newStartIndex <= newEndIndex) {     if (!oldStartVnode) {       oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]       continue     }     if (!oldEndVnode) {       oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]       continue     }      // 双端比较_1 - 旧孩子的头 比对 新孩子的头;     // 都从头部开始比对(对应场景:同序列尾部挂载-push、同序列尾部卸载-pop)     if (isSameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {       patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode) // 如果是相同节点,则打补丁,并递归比较子节点       oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]       newStartVnode = newChildren[++newStartIndex]     }     // 双端比较_2 - 旧孩子的尾 比对 新孩子的尾;     // 都从尾部开始比对(对应场景:同序列头部挂载-unshift、同序列头部卸载-shift)     else if (isSameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {       patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode) // 如果是相同节点,则打补丁,并递归比较子节点       oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]       newEndVnode = newChildren[--newEndIndex]     }     // 双端比较_3 - 旧孩子的头 比对 新孩子的尾;     // 旧孩子从头部开始,新孩子从尾部开始(对应场景:指针尽可能向内靠拢;极端场景-reverse)     else if (isSameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) {       patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode)       el.insertBefore(oldStartVnode.el, oldEndVnode.el.nextSibling) // 将 oldStartVnode 移动到 oldEndVnode的后面(把当前节点 移动到 旧列表尾指针指向的节点 后面)       oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIndex]       newEndVnode = newChildren[--newEndIndex]     }     // 双端比较_4 - 旧孩子的尾 比对 新孩子的头;     // 旧孩子从尾部开始,新孩子从头部开始(对应场景:指针尽可能向内靠拢;极端场景-reverse)     else if (isSameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) {       patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode)       el.insertBefore(oldEndVnode.el, oldStartVnode.el) // 将 oldEndVnode 移动到 oldStartVnode的前面(把当前节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面)       oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIndex]       newStartVnode = newChildren[++newStartIndex]     }     // 乱序比对     // 根据旧的列表做一个映射关系,拿新的节点去找,找到则移动;找不到则添加;最后删除多余的旧节点     else {       let moveIndex = map[newStartVnode.key]       // 找的到相同key的老节点,并且是相同节点       if (moveIndex !== undefined && isSameVnode(oldChildren[moveIndex], newStartVnode)) {         let moveVnode = oldChildren[moveIndex] // 复用旧的节点         el.insertBefore(moveVnode.el, oldStartVnode.el) // 将 moveVnode 移动到 oldStartVnode的前面(把复用节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面)         oldChildren[moveIndex] = undefined // 表示这个旧节点已经被移动过了         patchVnode(moveVnode, newStartVnode) // 比对属性和子节点       }        // 找不到相同key的老节点 or 找的到相同key的老节点但tag不相同       else {         el.insertBefore(createElm(newStartVnode), oldStartVnode.el) // 将 创建的节点 移动到 oldStartVnode的前面(把创建的节点 移动到 旧列表头指针指向的节点 前面)       }       newStartVnode = newChildren[++newStartIndex]     }   }    // 同序列尾部挂载,向后追加   // a b c d   // a b c d e f   // 同序列头部挂载,向前追加   //     a b c d   // e f a b c d   if (newStartIndex <= newEndIndex) {     for (let i = newStartIndex; i <= newEndIndex; i++) {       let childEl = createElm(newChildren[i])       // 这里可能是向后追加 ,也可能是向前追加       let anchor = newChildren[newEndIndex + 1] ? newChildren[newEndIndex + 1].el : null // 获取下一个元素       // el.appendChild(childEl);       el.insertBefore(childEl, anchor) // anchor为null的时候等同于 appendChild     }   }    // 同序列尾部卸载,删除尾部多余的旧孩子   // a b c d e f   // a b c d   // 同序列头部卸载,删除头部多余的旧孩子   // e f a b c d   //     a b c d   if (oldStartIndex <= oldEndIndex) {     for (let i = oldStartIndex; i <= oldEndIndex; i++) {       if (oldChildren[i]) {         let childEl = oldChildren[i].el         el.removeChild(childEl)       }     }   } } 

常见问题

为什么不建议key用索引

我们先看一段代码。其效果是:当点击按钮后,会在数组前面追加一项数据

/** template代码 */ <div id="app">     <ul class="ul-wrap">        <li v-for="(item,index) in arr" :key="index">         {{item.name}} <input type="checkbox">        </li>     </ul>     <button @click="append">追加</button> </div>  /** js代码 */ let vm = new Vue({   el: '#app',   data() {     return {       arr: [{ id: 0, name: '柏成0号' },              { id: 1, name: '柏成1号' },              { id: 2, name: '柏成2号' }]     }   },   methods: {     append() {       this.arr.unshift({         id: 7,         name: '柏成7号'       });     }   } }) 

index作为key

使用index作为key时,运行结果如下:
【Vue2.x源码系列08】Diff算法原理
我们会发现一个神奇的现象,虽然只unshift了一条数据,但是所有的li标签都更新了。并且新增的柏成7号节点还复用了柏成0号节点的checkbox多选框!!!

其原理就是,我们在进行头头比对时,前三项虽然可以匹配到相同节点(标签名和key都相同),但其内容并非一致,所以进行了打补丁更新操作。然后我们又创建一个key为3柏成2号节点插入到列表尾部
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id作为key

使用id作为key时,运行结果如下:
【Vue2.x源码系列08】Diff算法原理
这次的diff更新就符合了我们的预期效果,它找到需要更新的最小单位,即只会新增key为3柏成7号节点,最大限度地减少DOM操作

此时我们在进行尾尾比对时,后三项都可以匹配到相同节点(标签名和key都相同),而且会发现无需更新任何内容。然后去创建一个key为7柏成7号节点插入列表头部,严格来说是插入新列表头指针下一个虚拟节点对应的真实元素newChildren[newEndIndex + 1].el前面
【Vue2.x源码系列08】Diff算法原理

参考文章

diff 算法深入一下?
聊聊 Vue 的双端 diff 算法
15张图,20分钟吃透Diff算法核心原理,我说的!!!
第三十篇 - diff 算法