Vue实现virtual-dom的原理简析

virtual-dom(后文简称vdom)的概念大规模的推广还是得益于react出现，virtual-dom也是react这个框架的非常重要的特性之一。相比于频繁的手动去操作dom而带来性能问题，vdom很好的将dom做了一层映射关系，进而将在我们本需要直接进行dom的一系列操作，映射到了操作vdom，而vdom上定义了关于真实dom的一些关键的信息，vdom完全是用js去实现，和宿主浏览器没有任何联系，此外得益于js的执行速度，将原本需要在真实dom进行的创建节点,删除节点,添加节点等一系列复杂的dom操作全部放到vdom中进行，这样就通过操作vdom来提高直接操作的dom的效率和性能。

Vue在2.0版本也引入了vdom。其vdom算法是基于snabbdom算法所做的修改。

在Vue的整个应用生命周期当中，每次需要更新视图的时候便会使用vdom。那么在Vue当中，vdom是如何和Vue这个框架融合在一起工作的呢？以及大家常常提到的vdom的diff算法又是怎样的呢？接下来就通过这篇文章简单的向大家介绍下Vue当中的vdom是如何去工作的。

首先，我们还是来看下Vue生命周期当中初始化的最后阶段：将vm实例挂载到dom上，源码在src/core/instance

  Vue.prototype._init = function () {
    ...
    vm.$mount(vm.$options.el) // 实际上是调用了mountComponent方法
    ...
  }  

mountComponent函数的定义是：

export function mountComponent (
 vm: Component,
 el: ?Element,
 hydrating?: boolean
): Component {
 // vm.$el为真实的node
 vm.$el = el
 // 如果vm上没有挂载render函数
 if (!vm.$options.render) {
  // 空节点
  vm.$options.render = createEmptyVNode
 }
 // 钩子函数
 callHook(vm, 'beforeMount')

 let updateComponent
 /* istanbul ignore if */
 if (process.env.NODE_ENV !== 'production' && config.performance && mark) {
  ...
 } else {
  // updateComponent为监听函数, new Watcher(vm, updateComponent, noop)
  updateComponent = () => {
   // Vue.prototype._render 渲染函数
   // vm._render() 返回一个VNode
   // 更新dom
   // vm._render()调用render函数，会返回一个VNode，在生成VNode的过程中，会动态计算getter,同时推入到dep里面
   vm._update(vm._render(), hydrating)
  }
 }

 // 新建一个_watcher对象
 // vm实例上挂载的_watcher主要是为了更新DOM
 // vm/expression/cb
 vm._watcher = new Watcher(vm, updateComponent, noop)
 hydrating = false

 // manually mounted instance, call mounted on self
 // mounted is called for render-created child components in its inserted hook
 if (vm.$vnode == null) {
  vm._isMounted = true
  callHook(vm, 'mounted')
 }
 return vm
}

注意上面的代码中定义了一个updateComponent函数，这个函数执行的时候内部会调用vm._update(vm._render(), hyddrating)方法，其中vm._render方法会返回一个新的vnode，(关于vm_render是如何生成vnode的建议大家看看vue的关于compile阶段的代码)，然后传入vm._update方法后，就用这个新的vnode和老的vnode进行diff，最后完成dom的更新工作。那么updateComponent都是在什么时候去进行调用呢？

vm._watcher = new Watcher(vm, updateComponent, noop)

实例化一个watcher，在求值的过程中this.value = this.lazy ? undefined : this.get()，会调用this.get()方法，因此在实例化的过程当中Dep.target会被设为这个watcher，通过调用vm._render()方法生成新的Vnode并进行diff的过程中完成了模板当中变量依赖收集工作。即这个watcher被添加到了在模板当中所绑定变量的依赖当中。一旦model中的响应式的数据发生了变化，这些响应式的数据所维护的dep数组便会调用dep.notify()方法完成所有依赖遍历执行的工作，这里面就包括了视图的更新即updateComponent方法的调用。

updateComponent方法的定义是：

updateComponent = () => {
 vm._update(vm._render(), hydrating)
}

完成视图的更新工作事实上就是调用了vm._update方法，这个方法接收的第一个参数是刚生成的Vnode，调用的vm._update方法的定义是

Vue.prototype._update = function (vnode: VNode, hydrating?: boolean) {
  const vm: Component = this
  if (vm._isMounted) {
   callHook(vm, 'beforeUpdate')
  }
  const prevEl = vm.$el
  const prevVnode = vm._vnode
  const prevActiveInstance = activeInstance
  activeInstance = vm
  // 新的vnode
  vm._vnode = vnode
  // Vue.prototype.__patch__ is injected in entry points
  // based on the rendering backend used.
  // 如果需要diff的prevVnode不存在，那么就用新的vnode创建一个真实dom节点
  if (!prevVnode) {
   // initial render
   // 第一个参数为真实的node节点
   vm.$el = vm.__patch__(
    vm.$el, vnode, hydrating, false /* removeOnly */,
    vm.$options._parentElm,
    vm.$options._refElm
   )
  } else {
   // updates
   // 如果需要diff的prevVnode存在，那么首先对prevVnode和vnode进行diff,并将需要的更新的dom操作已patch的形式打到prevVnode上，并完成真实dom的更新工作
   vm.$el = vm.__patch__(prevVnode, vnode)
  }
  activeInstance = prevActiveInstance
  // update __vue__ reference
  if (prevEl) {
   prevEl.__vue__ = null
  }
  if (vm.$el) {
   vm.$el.__vue__ = vm
  }
  // if parent is an HOC, update its $el as well
  if (vm.$vnode && vm.$parent && vm.$vnode === vm.$parent._vnode) {
   vm.$parent.$el = vm.$el
  }
}

在这个方法当中最为关键的就是vm.__patch__方法，这也是整个virtaul-dom当中最为核心的方法，主要完成了prevVnode和vnode的diff过程并根据需要操作的vdom节点打patch，最后生成新的真实dom节点并完成视图的更新工作。

接下来就让我们看下vm.__patch__里面到底发生了什么：

  function patch (oldVnode, vnode, hydrating, removeOnly, parentElm, refElm) {
    // 当oldVnode不存在时
    if (isUndef(oldVnode)) {
      // 创建新的节点
      createElm(vnode, insertedVnodeQueue, parentElm, refElm)
    } else {
      const isRealElement = isDef(oldVnode.nodeType)
      if (!isRealElement && sameVnode(oldVnode, vnode)) {
      // patch existing root node
      // 对oldVnode和vnode进行diff，并对oldVnode打patch
      patchVnode(oldVnode, vnode, insertedVnodeQueue, removeOnly)
   } 
    }
  }

在对oldVnode和vnode类型判断中有个sameVnode方法，这个方法决定了是否需要对oldVnode和vnode进行diff及patch的过程。

function sameVnode (a, b) {
 return (
  a.key === b.key &&
  a.tag === b.tag &&
  a.isComment === b.isComment &&
  isDef(a.data) === isDef(b.data) &&
  sameInputType(a, b)
 )
}

sameVnode会对传入的2个vnode进行基本属性的比较，只有当基本属性相同的情况下才认为这个2个vnode只是局部发生了更新，然后才会对这2个vnode进行diff，如果2个vnode的基本属性存在不一致的情况，那么就会直接跳过diff的过程，进而依据vnode新建一个真实的dom，同时删除老的dom节点。

vnode基本属性的定义可以参见源码:src/vdom/vnode.js里面对于vnode的定义。

constructor (
  tag?: string,
  data?: VNodeData,     // 关于这个节点的data值，包括attrs,style,hook等
  children?: ?Array, // 子vdom节点
  text?: string,    // 文本内容
  elm?: Node,      // 真实的dom节点
  context?: Component, // 创建这个vdom的上下文
  componentOptions?: VNodeComponentOptions
 ) {
  this.tag = tag
  this.data = data
  this.children = children
  this.text = text
  this.elm = elm
  this.ns = undefined
  this.context = context
  this.functionalContext = undefined
  this.key = data && data.key
  this.componentOptions = componentOptions
  this.componentInstance = undefined
  this.parent = undefined
  this.raw = false
  this.isStatic = false
  this.isRootInsert = true
  this.isComment = false
  this.isCloned = false
  this.isOnce = false
 }

 // DEPRECATED: alias for componentInstance for backwards compat.
 /* istanbul ignore next */
 get child (): Component | void {
  return this.componentInstance
 }
}

每一个vnode都映射到一个真实的dom节点上。其中几个比较重要的属性:

1. tag 属性即这个vnode的标签属性
2. data 属性包含了最后渲染成真实dom节点后，节点上的class,attribute,style以及绑定的事件
3. children 属性是vnode的子节点
4. text 属性是文本属性
5. elm 属性为这个vnode对应的真实dom节点
6. key 属性是vnode的标记，在diff过程中可以提高diff的效率，后文有讲解

比如，我定义了一个vnode，它的数据结构是:

  {
    tag: 'div'
    data: {
      id: 'app',
      class: 'page-box'
    },
    children: [
      {
        tag: 'p',
        text: 'this is demo'
      }
    ]
  }

最后渲染出的实际的dom结构就是:

  

    
this is demo
  

让我们再回到patch函数当中，在当oldVnode不存在的时候，这个时候是root节点初始化的过程，因此调用了createElm(vnode, insertedVnodeQueue, parentElm, refElm)方法去创建一个新的节点。而当oldVnode是vnode且sameVnode(oldVnode, vnode)2个节点的基本属性相同，那么就进入了2个节点的diff过程。

diff的过程主要是通过调用patchVnode方法进行的:

function patchVnode(oldVnode, vnode, insertedVnodeQueue, removeOnly) {
  ...
}

if (isDef(data) && isPatchable(vnode)) {
   // cbs保存了hooks钩子函数: 'create', 'activate', 'update', 'remove', 'destroy'
   // 取出cbs保存的update钩子函数，依次调用，更新attrs/style/class/events/directives/refs等属性
   for (i = 0; i < cbs.update.length; ++i) cbs.update[i](oldVnode, vnode)
   if (isDef(i = data.hook) && isDef(i = i.update)) i(oldVnode, vnode)
  }

更新真实dom节点的data属性，相当于对dom节点进行了预处理的操作

接下来:

  ...
  const elm = vnode.elm = oldVnode.elm
  const oldCh = oldVnode.children
  const ch = vnode.children
  // 如果vnode没有文本节点
  if (isUndef(vnode.text)) {
   // 如果oldVnode的children属性存在且vnode的属性也存在
   if (isDef(oldCh) && isDef(ch)) {
    // updateChildren，对子节点进行diff
    if (oldCh !== ch) updateChildren(elm, oldCh, ch, insertedVnodeQueue, removeOnly)
   } else if (isDef(ch)) {
    // 如果oldVnode的text存在，那么首先清空text的内容
    if (isDef(oldVnode.text)) nodeOps.setTextContent(elm, '')
    // 然后将vnode的children添加进去
    addVnodes(elm, null, ch, 0, ch.length - 1, insertedVnodeQueue)
   } else if (isDef(oldCh)) {
    // 删除elm下的oldchildren
    removeVnodes(elm, oldCh, 0, oldCh.length - 1)
   } else if (isDef(oldVnode.text)) {
    // oldVnode有子节点，而vnode没有，那么就清空这个节点
    nodeOps.setTextContent(elm, '')
   }
  } else if (oldVnode.text !== vnode.text) {
   // 如果oldVnode和vnode文本属性不同，那么直接更新真是dom节点的文本元素
   nodeOps.setTextContent(elm, vnode.text)
  }

这其中的diff过程中又分了好几种情况，oldCh为oldVnode的子节点，ch为Vnode的子节点：

1. 首先进行文本节点的判断，若oldVnode.text !== vnode.text，那么就会直接进行文本节点的替换；
2. 在vnode没有文本节点的情况下，进入子节点的diff；
3. 当oldCh和ch都存在且不相同的情况下，调用updateChildren对子节点进行diff；
4. 若oldCh不存在，ch存在，首先清空oldVnode的文本节点，同时调用addVnodes方法将ch添加到elm真实dom节点当中；
5. 若oldCh存在，ch不存在，则删除elm真实节点下的oldCh子节点；
6. 若oldVnode有文本节点，而vnode没有，那么就清空这个文本节点。

这里着重分析下updateChildren方法，它也是整个diff过程中最重要的环节:

function updateChildren (parentElm, oldCh, newCh, insertedVnodeQueue, removeOnly) {
  // 为oldCh和newCh分别建立索引，为之后遍历的依据
  let oldStartIdx = 0
  let newStartIdx = 0
  let oldEndIdx = oldCh.length - 1
  let oldStartVnode = oldCh[0]
  let oldEndVnode = oldCh[oldEndIdx]
  let newEndIdx = newCh.length - 1
  let newStartVnode = newCh[0]
  let newEndVnode = newCh[newEndIdx]
  let oldKeyToIdx, idxInOld, elmToMove, refElm
  
  // 直到oldCh或者newCh被遍历完后跳出循环
  while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {
   if (isUndef(oldStartVnode)) {
    oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx] // Vnode has been moved left
   } else if (isUndef(oldEndVnode)) {
    oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
   } else if (sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
    patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
    oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
    newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
   } else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
    patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue)
    oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
    newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
   } else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) { // Vnode moved right
    patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue)
    canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, oldStartVnode.elm, nodeOps.nextSibling(oldEndVnode.elm))
    oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
    newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
   } else if (sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) { // Vnode moved left
    patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
    // 插入到老的开始节点的前面
    canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, oldEndVnode.elm, oldStartVnode.elm)
    oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
    newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
   } else {
    // 如果以上条件都不满足，那么这个时候开始比较key值，首先建立key和index索引的对应关系
    if (isUndef(oldKeyToIdx)) oldKeyToIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
    idxInOld = isDef(newStartVnode.key) ? oldKeyToIdx[newStartVnode.key] : null
    // 如果idxInOld不存在
    // 1. newStartVnode上存在这个key,但是oldKeyToIdx中不存在
    // 2. newStartVnode上并没有设置key属性
    if (isUndef(idxInOld)) { // New element
     // 创建新的dom节点
     // 插入到oldStartVnode.elm前面
     // 参见createElm方法
     createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm)
     newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    } else {
     elmToMove = oldCh[idxInOld]
     /* istanbul ignore if */
     if (process.env.NODE_ENV !== 'production' && !elmToMove) {
      warn(
       'It seems there are duplicate keys that is causing an update error. ' +
       'Make sure each v-for item has a unique key.'
      )
     
     // 将找到的key一致的oldVnode再和newStartVnode进行diff
     if (sameVnode(elmToMove, newStartVnode)) {
      patchVnode(elmToMove, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
      oldCh[idxInOld] = undefined
      // 移动node节点
      canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, newStartVnode.elm, oldStartVnode.elm)
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
     } else {
      // same key but different element. treat as new element
      // 创建新的dom节点
      createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm)
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
     }
    }
   }
  }
  // 如果最后遍历的oldStartIdx大于oldEndIdx的话
  if (oldStartIdx > oldEndIdx) {    // 如果是老的vdom先被遍历完
   refElm = isUndef(newCh[newEndIdx + 1]) ? null : newCh[newEndIdx + 1].elm
   // 添加newVnode中剩余的节点到parentElm中
   addVnodes(parentElm, refElm, newCh, newStartIdx, newEndIdx, insertedVnodeQueue)
  } else if (newStartIdx > newEndIdx) { // 如果是新的vdom先被遍历完，则删除oldVnode里面所有的节点
   // 删除剩余的节点
   removeVnodes(parentElm, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
  }
}

在开始遍历diff前，首先给oldCh和newCh分别分配一个startIndex和endIndex来作为遍历的索引，当oldCh或者newCh遍历完后(遍历完的条件就是oldCh或者newCh的startIndex >= endIndex)，就停止oldCh和newCh的diff过程。接下来通过实例来看下整个diff的过程(节点属性中不带key的情况):

首先从第一个节点开始比较，不管是oldCh还是newCh的起始或者终止节点都不存在sameVnode，同时节点属性中是不带key标记的，因此第一轮的diff完后，newCh的startVnode被添加到oldStartVnode的前面，同时newStartIndex前移一位；

第二轮的diff中，满足sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)，因此对这2个vnode进行diff，最后将patch打到oldStartVnode上，同时oldStartVnode和newStartIndex都向前移动一位

第三轮的diff中，满足sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)，那么首先对oldEndVnode和newStartVnode进行diff，并对oldEndVnode进行patch，并完成oldEndVnode移位的操作，最后newStartIndex前移一位，oldStartVnode后移一位；

第四轮的diff中，过程同步骤3；

第五轮的diff中，同过程1；

遍历的过程结束后，newStartIdx > newEndIdx，说明此时oldCh存在多余的节点，那么最后就需要将这些多余的节点删除。

在vnode不带key的情况下，每一轮的diff过程当中都是起始和结束节点进行比较，直到oldCh或者newCh被遍历完。而当为vnode引入key属性后，在每一轮的diff过程中，当起始和结束节点都没有找到sameVnode时，首先对oldCh中进行key值与索引的映射:

if (isUndef(oldKeyToIdx)) oldKeyToIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
idxInOld = isDef(newStartVnode.key) ? oldKeyToIdx[newStartVnode.key] : null

createKeyToOldIdx方法，用以将oldCh中的key属性作为键，而对应的节点的索引作为值。然后再判断在newStartVnode的属性中是否有key，且是否在oldKeyToIndx中找到对应的节点。

如果不存在这个key，那么就将这个newStartVnode作为新的节点创建且插入到原有的root的子节点中:

if (isUndef(idxInOld)) { // New element
  // 创建新的dom节点
  // 插入到oldStartVnode.elm前面
  // 参见createElm方法
  createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm)
     newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    } 

如果存在这个key，那么就取出oldCh中的存在这个key的vnode，然后再进行diff的过程:

elmToMove = oldCh[idxInOld]
     /* istanbul ignore if */
     if (process.env.NODE_ENV !== 'production' && !elmToMove) {
     
     // 将找到的key一致的oldVnode再和newStartVnode进行diff
     if (sameVnode(elmToMove, newStartVnode)) {
      patchVnode(elmToMove, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
      // 清空这个节点
      oldCh[idxInOld] = undefined
      // 移动node节点
      canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, newStartVnode.elm, oldStartVnode.elm)
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
     } else {
      // same key but different element. treat as new element
      // 创建新的dom节点
      createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm)
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
     }

通过以上分析，给vdom上添加key属性后，遍历diff的过程中，当起始点, 结束点的搜寻及diff出现还是无法匹配的情况下时，就会用key来作为唯一标识，来进行diff，这样就可以提高diff效率。

带有Key属性的vnode的diff过程可见下图：

注意在第一轮的diff过后oldCh上的B节点被删除了，但是newCh上的B节点上elm属性保持对oldCh上B节点的elm引用。

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