Vue—关于响应式（三、Diff Patch原理分析）

[上一节]我们学习了Vue中异步渲染队列的原理，本节我们沿着响应式图谱学习下一个部分——渲染页面。

如上图所示，Vue会根据之前得到的变更通知生成一颗新的Virtual DOM树，然后再将新的Virtual DOM树和旧的Virtual DOM树进行diff patch操作。

本节的目标是学习Virtual DOM以及Vue是如何对新旧两颗Virtual DOM树进行diff patch算法。

一、Virtual DOM

1.1. 什么是Virtual DOM

一听到"虚拟DOM"这个词汇，自然的会升起一种它很高级的感觉。没错，它确实很高级，但是稳住不要慌，你可以把它当成我们吃饭用的筷子，对于外国人而言，中国的筷子也是一种高级（共同点：都是外国人发明的【手动滑稽】）。你天天用筷子当然就不会觉得筷子很高级，这个道理是：你越熟悉它，它对你而言就越不神秘。

在js中，简单理解Virtual DOM就是通过 JS的对象结构 来描述 DOM树结构的一种工具。

1.2. 为什么要使用Virtual DOM

这个问题很多文章是这么回答的：操作DOM是很耗费性能的一件事情，我们可以考虑通过JS对象来模拟DOM对象，毕竟操作JS对象比操作DOM省时的多。

事实上这种说法是不对的，操作JS对象确实比操作DOM省时，但是在Virtual DOM中并不能减少DOM操作，这一步DOM操作是由Virtual DOM在diff patch的过程中完成的，通过这一步事实上它减少的是我们前端人员直接通过DOM API去增删改查DOM节点的操作，从而提高了我们的开发效率而并非产品性能。

在计算机界一直流传着这么一句话：

翻译过来就是说：软件开发中遇到的所有问题都可以通过增加一层抽象而得以解决。

Virtual DOM也是类似，它也是分层思想的一种体现，为什么这么说？当我们在开发的时候是基于一定的DSL的，比方说我们前端会使用HTML、JS、CSS来写代码，那么框架帮我们抽象出一层Virtual DOM，通过这层Virtual DOM，框架可以将不同的Virtual DOM节点适配到不同的view显示端，其中包括像H5、小程序以及App native，从而使我们的代码具备一次编写多端执行的可能性。

看完抽象的概念，我们再来看一下Virtual DOM在代码中具体是怎么体现的。

1.3. Virtual DOM的具体表现形式

以下面这段html代码为例：

<ul id='list'>
  <li class='item'>Item 1</li>
  <li class='item'>Item 2</li>
  <li class='item'>Item 3</li>
</ul>

Virtual DOM抽象出来的js对象为：

var VNode = {
  tagName: 'ul', // 标签名
  props: { // 属性用对象存储键值对
    id: 'list'
  },
  children: [ // 子节点
    {tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 1"]},
    {tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 2"]},
    {tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 3"]},
  ]
}

对比上面的代码，很容易看出来它们之间的映射关系。既然DOM节点可以转换成JS对象，反之亦然，Virtual DOM需要做的就是：

1. 将你编写好的DOM树结构（如.vue文件中的template）转换成JS对象树结构，然后再将JS对象树构建成真正的DOM树即可。
2. 当检测到状态变更时，生成新的JS对象树并与旧的对象树进行比对，通过diff算法最终确认要进行多少更新。

小结

• Virtual DOM是分层思想的一种体现，通过增加抽象层来帮助我们完成一次编写多端通用的功能。
• Virtual DOM是通过JS对象结构来描述DOM树结构的工具。
• Virtual DOM检测到状态变更时会生成新的对象树，通过diff算法比对新旧对象树来最终确认DOM更新策略。

二、Diff Patch

2.1. 什么是diff算法

作为面向百度工程师，第一步当然是你们懂的了【手动滑稽】

百度百科给出的答案是：

• Virtual DOM中采用的算法
• 将树结构按层级划分，只比较同级元素，不同层级的节点只有创建和删除操作
• 为列表结构的每个单元添加唯一的key

有了这个概念我们继续往下学习。

那到底什么是diff算法？

打个比方，把老虎变成大象最短需要几步？换种说法，把Tiger这个字符串变成Elephant字符串最短需要几步？从Tom到Michael到Sunny呢？

为了解出这个题，你需要设计一种最优的字符串变更和匹对的算法，而Virtual DOM为了确定最优的DOM变更策略，它的解题算法就是diff。

2.2. Virtual DOM为什么要选择diff算法

我们都知道DOM操作的开销非常昂贵，轻微的操作都有可能引起页面重排损耗性能，所以要尽量减少DOM操作，diff算法的作用就是通过比对新旧Virtual DOM树的差异，最小化的执行DOM操作，从而提高开发人员的效率。

最小化操作dom的过程，我们就不用再考虑那么多直接操作DOM带来的问题了，主要目的是为了提效，开发者的水平参差不齐，不用手动操作DOM了，从侧面来讲也是对性能的优化。

2.3. diff策略

我们的应用通过Vue框架其实会转换成一颗虚拟DOM树，当我们进行了一些页面上的操作时，或者说我们得到了一些异步数据更新响应之后，其实是将左边的DOM树转化成右边的DOM树，这个转化过程中就要应用到diff的策略。

现在主流的MVVM框架基本都会按照以下策略：

1. 按tree层级diff
2. 按类型进行diff（组件类型或者是元素类型）
3. 列表diff

2.3.1. 按tree层级diff

如下图所示，对每一层进行diff。这主要是因为在web UI当中很少会出现DOM节点跨层级移动，这种情况少的可以忽略不计，因此Virtual DOM的diff策略是在新旧节点树之间按层级进行diff从而得到差异。

2.3.2. 按类型进行diff

无论Virtual DOM中的节点数据对应的是一个原生DOM节点还是Vue的一个组件，不同类型的节点所具有的子树节点之间结构往往差异明显，因此对不同类型的节点子树进行递归diff的投入成本与产出比将会比较高昂，为了提升diff效率，Virtual DOM只对相同类型的节点进行diff，当新旧节点发生了类型的改变时则并不进行子树的比较，而是直接创建新类型的Virtual DOM替换旧节点。

如下图所示，假设我们diff到了这一层

现在要将父节点的五角星转换成下图的三角形节点

按照规则，首先是同层级进行diff，可以看到在这一层中五角星和三角形不是一个类型，如下图所示：

那么这个组件以及它的子组件都会被完全的销毁，哪怕这个组件下面的两个五角星子组件跟原来的组件是同一个组件，它们仍然需要再一次被创建，如下图所示：

2.3.3. 列表diff

在列表diff的过程中，可以给每一项都设置一个key，通过key可以提升diff的效率。如下图所示，左图没有key，所以老的节点全部删除，新的节点再全部创建；右图添加key值，所以只需要将A移动到B，将C移动到D即可。

我们来看一下源码中是怎么进行列表diff的，以vue 2.6.11版本为例，源码在src/vdom/patch.js中

具体细节很多，我们通过图解来看一下它具体的思想是什么样的。

如下图所示，假设我们旧的Virtual DOM层级上面的节点数是这么一个排列，现在要变成新的排列，浅灰色圆圈代表Virtual Node，也就是我们的虚拟节点，里面的深灰色小圆圈代表的是DOM的实体

现在我们页面上的DOM实体是以123456来排列的，我们来看图解过程，在算法开始之前，vue里面首先会定义四个指针，这四个指针分别是oldStartIdx/oldEndIdx、newStartIdx/newEndIdx，它们的名字其实也就代表了它们的意思，就是老的Virtual DOM节点开始的位置和结束的位置、新的Virtual DOM开始的位置以及结束的位置

代码的判断逻辑是，首先vue会判断oldStartIdx以及newStartIdx这两个指针所对应的节点的Virtual DOM是否为同一个，如下图所示

图示中我们发现它们就是同一个（旧树是1，新树是1），这时候第一轮循环就完成了，此时oldStartIdx指针往后移动了一位，newStartIdx也会往后移动了一位，如下图所示

然后进入到第二个循环，对比下一个Virtual Node，按照上一步的逻辑，还是先比对oldStartIdx和newStartIdx的值是否相等，这个时候我们发现2和5并不是同一个Virtual Node

接下来就换一种方式比较，去比较oldEndIdx和newEndIdx，靠近末尾的两个节点是否为同一个节点？这个时候我们发现它们又是同一个节点（旧树是6，新树是6）

与前面相似，第二轮循环完成，此时oldEndIdx减一，newEndIdx也进行减一，两个结束下标向前移动一位，如下图所示：

接下来比较第三个循环，还是先比较两个开始下标oldStartIdx/newStartIdx所指向的Virtual Node是否一致，我们可以看到不一致（旧树是2，新树是5），如下图所示：

然后再比较两个结束下标oldEndIdx/newEndIdx指向的Virtual Node是否一致，可以看到也不一致（旧树是5，新树是2），如下图所示：

之前的两种比对方式节点都不同，这个时候就会比较oldStartIdx和newEndIdx，进行捺向比较，这个时候发现这两个节点是一致的（旧树是2，新树是2），但是它的位置发生了改变，所以这个时候就需要把oldStartIdx所指向的Virtual DOM节点里面的真实DOM节点（深灰色2）挪到oldEndIdx所指向的Virtual DOM节点的真实DOM节点之后，同时oldStartIdx也会向后移动一位（加一），newEndIdx也会向前移动一位（减一），如下图所示：

（捺向对比）

（挪动真实dom节点2位置）

（oldStartIdx后移一位，newEndIdx前移一位）

接下来进入第四个循环，同样的先判断两个开始下标oldStartIdx/newStartIdx，可以看到节点不一致（旧树是3，新树是5），如下图所示：

然后再比较两个结束下标oldEndIdx/newEndIdx指向的Virtual Node是否一致，可以看到也不一致（旧树是5，新树是7），如下图所示：

接着进行捺向比较，比较oldStartIdx跟newEndIdx指向的Virtual Node是否一致，可以看到不一致（旧树是3，新树是7），如下图所示：

这个时候就会再进行另外一种交叉方向比对，就是oldEndIdx和newStartIdx的对比，这是一个撇方向的对比，这时候发现对应的节点是一致的（旧树是5，新树是5），然后就会把oldEndIdx所指向的实际的DOM节点（深灰色5）挪到oldStartIdx所指向的实际节点的前面，同时，我们的oldEndIdx向前移动一位（减一），newStartIdx往后移动一位（加一），如下图所示：

（撇向对比）

（挪动真实dom节点5位置）

（oldStartIdx前移一位，newEndIdx后移一位）

然后进入第五个循环，同样的先判断两个开始下标oldStartIdx/newStartIdx，可以看到节点不一致（旧树是3，新树是7），如下图所示：

然后再比较两个结束下标oldEndIdx/newEndIdx指向的Virtual Node是否一致，可以看到也不一致（旧树是4，新树是7），如下图所示：

接着进行捺向比较，oldStartIdx和newEndIdx比较，发现3和7也不一致

然后就会进行撇向比较，也就是oldEndIdx和newStartIdx所指向的节点，4和7也不一致

这个时候vue就会对oldStartIdx和oldEndIdx这两个指针所指向的节点之间的所有节点进行一次遍历，然后寻找newStartIdx所指向的节点是否存在于这些老的Virtual DOM当中，如果找到的话就会把它挪到oldStartIdx所指向的节点之前。

这里我们会发现其实是找不到的，7不在oldStartIdx和oldEndIdx这两个指针之间，这时候就需要新创建一个节点7，在完成了这一步之后我们的newEndIdx也会向前移动一位（减一）

这个时候我们就会发现，newEndIdx已经小于newStartIdx了，这也标志着我们的New Vnode列表已经生成完毕了，接下来一步就是把我们的Old Vnode列表当中多余的部分给删除掉。

多余的部分其实就是oldStartIdx和oldEndIdx这两个指针之间的那部分，也就是我们的3、4节点，删除掉这部分，如下图所示：

这个时候我们就发现了新的Virtual DOM的列表其实就是下方的这个New Vnode列表，而实际页面上的DOM节点1、5、7、2、6也是按照这个New Vnode列表顺序来维持的，那么Old Vnode上的Virtual DOM的生命周期也就到此为止了，也就是可以被销毁了，如下图所示：

2.3.3.1. key的作用

在vue的官方文档上面着重的说了一句：

为了给Vue一个提示，以便它能跟踪每个节点的身份，从而重用和重新排序现有元素，你需要为每一项提供一个唯一 key 属性

文档地址：https://cn.vuejs.org/v2/guide/list.html#维护状态

key属性在这个算法当中又有什么作用呢？

我们假设前面的Old Vnode当中多了一个节点7

当我们没有设置key的时候，我们的匹对顺序第一步还是按照两个StartIdx所指向的节点进行比较

第二步是两个EndIdx进行比较

第三步是捺向的方向进行比较，也就是oldStartIdx跟newEndIdx所指向的节点进行比较

第四步是撇向的方向进行比较，也就是oldEndIdx跟newStartIdx所指向的节点进行比较

这个时候发现都不一致的时候，按照我们前面说的，如果没有设置key的情况下就会去遍历oldStartIdx和oldEndIdx之间去寻找是否存在这么一个节点，如果存在的话就会把它挪到前面去。

如果有设置了key属性，首先会去寻找在这个key map当中是否存在着对应的一个序号如下图，这里我们可以发现7这个节点也就是key-7对应的就是我们上面的列表当中的第四项

这个时候我们就不需要再对oldStartIdx和oldEndIdx之间的节点进行遍历了，就减少了这次循环操作，可以直接把7这个节点挪到5这个节点后面去，最后删除多余的节点就得到了新的节点树1、5、7、2、6，如下图所示：

从这里我们就可以看出来，如果设置了一个key，算法复杂度为O(n)

当我们不设置key的时候，算法复杂度的最好情况才是一个O(n)，这种情况就是我们根本就没有进行遍历，刚好完全就是匹对的情况，最坏的情况就会上升到O(n²)，其实就是说我们对每一个oldStartIdx跟oldEndIdx之间的区间都进行一次遍历。

关于key，官方文档描述如下：

文档地址：https://cn.vuejs.org/v2/api/#key

Vue的整个diff过程就是整个patch方法的流程，整个流程也会通过递归地调用patchVnode来完成对整棵Virtual DOM Tree的更新，正是因为它的节点操作是在diff过程中同时进行的，也正是因为这种形式提升了Vue在增删改查DOM节点时的效率。

2.4. 小结

• diff算法用来比对新旧Virtual DOM的差异，使我们尽可能少的操作真实DOM以提高开发效率。

• diff算法分为两个粒度，一个是组件级别(Component diff)，另一个是元素级别(Element Diff)。组件级别的diff算法比较简单，节点不相同就进行创建和替换，节点相同的话就会对其子节点进行更新；对子节点进行更新也就是元素级别的diff，通过插入、移动、删除等方式使旧列表与新列表一致。

• Vue中的diff算法大致分为5个步骤：

  1. 先从两棵树的开始下标进行比对
  2. 再从两棵树的结束下标进行比对
  3. 然后从捺向进行比对
  4. 接着从撇向进行比对
  5. 最后从Old Vnode开始下标位置和结束下标位置之间进行遍历查找（如果有设置key，则直接找到key对应的节点进行复用，无需再进行遍历）

• 列表渲染时，使用key可以很好的提高性能。