虚拟DOM详解
React為啥這么大？因為它實現(xiàn)了一個虛擬DOM（Virtual DOM）。虛擬DOM是干什么的？這就要從瀏覽器本身講起。
如我們所知，在瀏覽器渲染網(wǎng)頁的過程中，加載到HTML文檔后，會將文檔解析并構(gòu)建DOM樹，然后將其與解析CSS生成的CSSOM樹一起結(jié)合產(chǎn)生愛的結(jié)晶——RenderObject樹，然后將RenderObject樹渲染成頁面（當(dāng)然中間可能會有一些優(yōu)化，比如RenderLayer樹）。這些過程都存在與渲染引擎之中，渲染引擎在瀏覽器中是于JavaScript引擎（JavaScriptCore也好V8也好）分離開的，但為了方便JS操作DOM結(jié)構(gòu)，渲染引擎會暴露一些接口供JavaScript調(diào)用。
由于這兩塊相互分離，通信是需要付出代價的，因此JavaScript調(diào)用DOM提供的接口性能不咋地。各種性能優(yōu)化的最佳實踐也都在盡可能的減少DOM操作次數(shù)。
而虛擬DOM干了什么？它直接用JavaScript實現(xiàn)了DOM樹（大致上）。組件的HTML結(jié)構(gòu)并不會直接生成DOM，而是映射生成虛擬的JavaScript DOM結(jié)構(gòu)，React又通過在這個虛擬DOM上實現(xiàn)了一個 diff 算法找出最小變更，再把這些變更寫入實際的DOM中。這個虛擬DOM以JS結(jié)構(gòu)的形式存在，計算性能會比較好，而且由于減少了實際DOM操作次數(shù)，性能會有較大提升。
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- 為什么需要虛擬DOM
- 實現(xiàn)虛擬DOM
- Diff算法
- 映射成真實DOM
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為什么需要虛擬DOM
先介紹瀏覽器加載一個HTML文件需要做哪些事，幫助我們理解為什么我們需要虛擬DOM。webkit引擎的處理流程，一圖勝千言：
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所有瀏覽器的引擎工作流程都差不多，如上圖大致分5步：創(chuàng)建DOM tree –> 創(chuàng)建Style Rules -> 構(gòu)建Render tree -> 布局Layout –> 繪制Painting
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第一步，用HTML分析器，分析HTML元素，構(gòu)建一顆DOM樹。
第二步：用CSS分析器，分析CSS文件和元素上的inline樣式，生成頁面的樣式表。
第三步：將上面的DOM樹和樣式表，關(guān)聯(lián)起來，構(gòu)建一顆Render樹。這一過程又稱為Attachment。每個DOM節(jié)點都有attach方法，接受樣式信息，返回一個render對象（又名renderer）。這些render對象最終會被構(gòu)建成一顆Render樹。
第四步：有了Render樹后，瀏覽器開始布局，會為每個Render樹上的節(jié)點確定一個在顯示屏上出現(xiàn)的精確坐標(biāo)值。
第五步：Render數(shù)有了，節(jié)點顯示的位置坐標(biāo)也有了，最后就是調(diào)用每個節(jié)點的paint方法，讓它們顯示出來。
當(dāng)你用傳統(tǒng)的源生api或jQuery去操作DOM時，瀏覽器會從構(gòu)建DOM樹開始從頭到尾執(zhí)行一遍流程。比如當(dāng)你在一次操作時，需要更新10個DOM節(jié)點，理想狀態(tài)是一次性構(gòu)建完DOM樹，再執(zhí)行后續(xù)操作。但瀏覽器沒這么智能，收到第一個更新DOM請求后，并不知道后續(xù)還有9次更新操作，因此會馬上執(zhí)行流程，最終執(zhí)行10次流程。顯然例如計算DOM節(jié)點的坐標(biāo)值等都是白白浪費性能，可能這次計算完，緊接著的下一個DOM更新請求，這個節(jié)點的坐標(biāo)值就變了，前面的一次計算是無用功。
即使計算機硬件一直在更新迭代，操作DOM的代價仍舊是昂貴的，頻繁操作還是會出現(xiàn)頁面卡頓，影響用戶的體驗。真實的DOM節(jié)點，哪怕一個最簡單的div也包含著很多屬性，可以打印出來直觀感受一下：
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虛擬DOM就是為了解決這個瀏覽器性能問題而被設(shè)計出來的。例如前面的例子，假如一次操作中有10次更新DOM的動作，虛擬DOM不會立即操作DOM，而是將這10次更新的diff內(nèi)容保存到本地的一個js對象中，最終將這個js對象一次性attach到DOM樹上，通知瀏覽器去執(zhí)行繪制工作，這樣可以避免大量的無謂的計算量。
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實現(xiàn)虛擬DOM
我們來實現(xiàn)一個虛擬DOM。例如一個真實的DOM節(jié)點：
<div id="real-container">
??? <p>Real DOM</p>
??? <div>cannot update</div>
??? <ul>
??????? <li className="item">Item 1</li>
??????? <li className="item">Item 2</li>
??????? <li className="item">Item 3</li>
??? </ul>
</div>
用js對象來模擬DOM節(jié)點如下：
const tree = Element('div', { id: 'virtual-container' }, [
??? Element('p', {}, ['Virtual DOM']),
??? Element('div', {}, ['before update']),
??? Element('ul', {}, [
??????? Element('li', { class: 'item' }, ['Item 1']),
??????? Element('li', { class: 'item' }, ['Item 2']),
??????? Element('li', { class: 'item' }, ['Item 3']),
??? ]),
]);
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const root = tree.render();
document.getElementById('virtualDom').appendChild(root);
用js對象模擬DOM節(jié)點的好處是，頁面的更新可以先全部反映在js對象上，操作內(nèi)存中的js對象的速度顯然要快多了。等更新完后，再將最終的js對象映射成真實的DOM，交由瀏覽器去繪制。
那具體怎么實現(xiàn)呢？看一下Element方法的具體實現(xiàn)：
function Element(tagName, props, children) {
??? if (!(this instanceof Element)) {
??????? return new Element(tagName, props, children);
??? }
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??? this.tagName = tagName;
??? this.props = props || {};
??? this.children = children || [];
??? this.key = props ? props.key : undefined;
?
??? let count = 0;
??? this.children.forEach((child) => {
??????? if (child instanceof Element) {
??????????? count += child.count;
??????? }
??????? count++;
??? });
??? this.count = count;
}
第一個參數(shù)是節(jié)點名（如div），第二個參數(shù)是節(jié)點的屬性（如class），第三個參數(shù)是子節(jié)點（如ul的li）。除了這三個參數(shù)會被保存在對象上外，還保存了key和count。
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有了js對象后，最終還需要將其映射成真實的DOM：
Element.prototype.render = function() {
??? const el = document.createElement(this.tagName);
??? const props = this.props;
?
??? for (const propName in props) {
??????? setAttr(el, propName, props[propName]);
??? }
?
??? this.children.forEach((child) => {
??????? const childEl = (child instanceof Element) ? child.render() : document.createTextNode(child);
?? ?????el.appendChild(childEl);
??? });
?
??? return el;
};
上面都是自解釋代碼，根據(jù)DOM名調(diào)用源生的createElement創(chuàng)建真實DOM，將DOM的屬性全都加到這個DOM元素上，如果有子元素繼續(xù)遞歸調(diào)用創(chuàng)建子元素，并appendChild掛到該DOM元素上。這樣就完成了從創(chuàng)建虛擬DOM到將其映射成真實DOM的全部工作。
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Diff算法
我們已經(jīng)完成了創(chuàng)建虛擬DOM并將其映射成真實DOM的工作，這樣所有的更新都可以先反映到虛擬DOM上，如何反映呢？需要明確一下Diff算法。
兩棵樹如果完全比較時間復(fù)雜度是O(n^3)，但參照《深入淺出React和Redux》一書中的介紹，React的Diff算法的時間復(fù)雜度是O(n)。要實現(xiàn)這么低的時間復(fù)雜度，意味著只能平層地比較兩棵樹的節(jié)點，放棄了深度遍歷。這樣做，似乎犧牲了一定的精確性來換取速度，但考慮到現(xiàn)實中前端頁面通常也不會跨層級移動DOM元素，所以這樣做是最優(yōu)的。
我們新創(chuàng)建一棵樹，用于和之前的樹進行比較.
const newTree = Element('div', { id: 'virtual-container' }, [
??? Element('h3', {}, ['Virtual DOM']),???????????????????? // REPLACE
??? Element('div', {}, ['after update']),?????????????????? // TEXT
??? Element('ul', { class: 'marginLeft10' }, [????????????? // PROPS
??????? Element('li', { class: 'item' }, ['Item 1']),
??????? // Element('li', { class: 'item' }, ['Item 2']),??? // REORDER remove
??????? Element('li', { class: 'item' }, ['Item 3']),
??? ]),
]);
只考慮平層地Diff的話，就簡單多了，只需要考慮以下4種情況：
第一種是最簡單的，節(jié)點類型變了，例如下圖中的P變成了h3。我們將這個過程稱之為REPLACE。直接將舊節(jié)點卸載（componentWillUnmount）并裝載新節(jié)點（componentWillMount）就行了。
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（為簡單起見上圖隱藏了文本節(jié)點）
舊節(jié)點包括下面的子節(jié)點都將被卸載，如果新節(jié)點和舊節(jié)點僅僅是類型不同，但下面的所有子節(jié)點都一樣時，這樣做顯得效率不高。但為了避免O(n^3)的時間復(fù)雜度，這樣做是值得的。這也提醒了React開發(fā)者，應(yīng)該避免無謂的節(jié)點類型的變化，例如運行時將div變成p就沒什么太大意義。
第二種也比較簡單，節(jié)點類型一樣，僅僅屬性或?qū)傩灾底兞恕?/span>
renderA: <ul>
renderB: <ul class: 'marginLeft10'>
=> [addAttribute class "marginLeft10"]
我們將這個過程稱之為PROPS。此時不會觸發(fā)節(jié)點的卸載（componentWillUnmount）和裝載（componentWillMount）動作。而是執(zhí)行節(jié)點更新（shouldComponentUpdate到componentDidUpdate的一系列方法）。
function diffProps(oldNode, newNode) {
??? const oldProps = oldNode.props;
??? const newProps = newNode.props;
?
??? let key;
??? const propsPatches = {};
??? let isSame = true;
?
??? // find out different props
??? for (key in oldProps) {
??????? if (newProps[key] !== oldProps[key]) {
??????????? isSame = false;
??????????? propsPatches[key] = newProps[key];
??????? }
??? }
?
??? // find out new props
??? for (key in newProps) {
??????? if (!oldProps.hasOwnProperty(key)) {
??????????? isSame = false;
??????????? propsPatches[key] = newProps[key];
??????? }
??? }
?
??? return isSame ? null : propsPatches;
}
第三種是文本變了，文本對也是一個Text Node，也比較簡單，直接修改文字內(nèi)容就行了，我們將這個過程稱之為TEXT。
第四種是移動，增加，刪除子節(jié)點，我們將這個過程稱之為REORDER。具體可以看這篇虛擬DOM Diff算法解析。例如：
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在中間插入一個節(jié)點，程序員寫代碼很簡單：$(B).after(F)。但如何高效地插入呢？簡單粗暴的做法是：卸載C，裝載F，卸載D，裝載C，卸載E，裝載D，裝載E。如下圖：
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我們寫JSX代碼時，如果沒有給數(shù)組或枚舉類型定義一個key，就會看到下面這樣的warning。React提醒我們，沒有key的話，涉及到移動，增加，刪除子節(jié)點的操作時，就會用上面那種簡單粗暴的做法來更新。雖然程序運行不會有錯，但效率太低，因此React會給我們一個warning。
如果我們在JSX里為數(shù)組或枚舉型元素增加上key后，React就能根據(jù)key，直接找到具體的位置進行操作，效率比較高。如下圖：
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常見的最小編輯距離問題，可以用Levenshtein Distance算法來實現(xiàn)，時間復(fù)雜度是O(M*N)，但通常我們只要一些簡單的移動就能滿足需要，降低點精確性，將時間復(fù)雜度降低到O(max(M, N)即可。具體可參照采用深度剖析：如何實現(xiàn)一個 Virtual DOM 算法里的一個算法一文。或自行閱讀例子中的源代碼
最終Diff出來的結(jié)果如下：
{
??? 1: [ {type: REPLACE, node: Element} ],
??? 4: [ {type: TEXT, content: "after update"} ],
??? 5: [ {type: PROPS, props: {class: "marginLeft10"}}, {type: REORDER, moves: [{index: 2, type: 0}]} ],
??? 6: [ {type: REORDER, moves: [{index: 2, type: 0}]} ],
??? 8: [ {type: REORDER, moves: [{index: 2, type: 0}]} ],
??? 9: [ {type: TEXT, content: "Item 3"} ],
}
映射成真實DOM
虛擬DOM有了，Diff也有了，現(xiàn)在就可以將Diff應(yīng)用到真實DOM上了。深度遍歷DOM將Diff的內(nèi)容更新進去：
function dfsWalk(node, walker, patches) {
??? const currentPatches = patches[walker.index];
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??? const len = node.childNodes ? node.childNodes.length : 0;
??? for (let i = 0; i < len; i++) {
??????? walker.index++;
??????? dfsWalk(node.childNodes[i], walker, patches);
??? }
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??? if (currentPatches) {
??????? applyPatches(node, currentPatches);
??? }
}
具體更新的代碼如下，其實就是根據(jù)Diff信息調(diào)用源生API操作DOM：
function applyPatches(node, currentPatches) {
??? currentPatches.forEach((currentPatch) => {
??????? switch (currentPatch.type) {
??????????? case REPLACE: {
??????????????? const newNode = (typeof currentPatch.node === 'string')
??????????????????? ? document.createTextNode(currentPatch.node)
??????????????????? : currentPatch.node.render();
??????????????? node.parentNode.replaceChild(newNode, node);
??????????????? break;
??????????? }
????????? ??case REORDER:
??????????????? reorderChildren(node, currentPatch.moves);
??????????????? break;
??????????? case PROPS:
??????????????? setProps(node, currentPatch.props);
??????????????? break;
??????????? case TEXT:
??????????????? if (node.textContent) {
??????????????????? node.textContent = currentPatch.content;
??????????????? } else {
??????????????????? // ie
??????????????????? node.nodeValue = currentPatch.content;
??????????????? }
??????????????? break;
??????????? default:
? ??????????????throw new Error(`Unknown patch type ${currentPatch.type}`);
??????? }
??? });
}
虛擬DOM的目的是將所有操作累加起來，統(tǒng)計計算出所有的變化后，統(tǒng)一更新一次DOM。其實即使不懂原理，業(yè)務(wù)代碼照樣寫，但理解原理后，出了什么新東東如React Fiber才能快速跟上。
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總結(jié)
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