全面理解虚拟DOM，实现虚拟DOM

曾经终败给现在 2022-06-16 10:09 228阅读 0赞

## 全面理解虚拟DOM，实现虚拟DOM ##

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][]

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：

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][github]。

本文同时发表在我的博客[积木村の研究所][Link 1] ：[http://foio.github.io/virtual-dom/][Link 1]

[virtual dom]: /images/20220616/b2a6613baa8749aaae4e0d923214304c.png
[github]: https://github.com/foio/vdom-demo
[Link 1]: http://foio.github.io/virtual-dom/