浅谈Vue的响应式原理（对比2.0和3.0）

参考文献
Vue 数据响应式原理
深入理解Vue响应式原理
vue3.0 尝鲜 – 摒弃 Object.defineProperty，基于 Proxy 的观察者机制探索

前言

Vue.js 的核心包括一套“响应式系统”。“响应式”，是指当数据改变后，Vue 会通知到使用该数据的代码。例如，视图渲染中使用了数据，数据改变后，视图也会自动更新。

举个简单的例子，对于模板：

<div id="root">{{ name }}</div>

创建一个 Vue 组件：

var vm = new Vue({
  el: '#root',
  data: {
    name: 'luobo'
  }
})

代码执行后，页面上对应位置会显示：luobo。
如果想改变显示的名字，只需要执行：

vm.name = 'tang'

这样页面上就会显示修改后的名字了，并不需要去手动修改 DOM 更新数据。

接下来，我们就一起深入了解 Vue 的数据响应式原理，搞清楚响应式的实现机制。

基本概念

Vue 的响应式，核心机制就是观察者模式
数据是被观察的一方，发生改变时，通知所有的观察者，这样观察者可以做出响应，比如，重新渲染然后更新视图。

我们把依赖数据的观察者称为 watcher，那么这种关系可以表示为：

data -> watcher

数据可以有多个观察者，怎么记录这种依赖关系呢？

dep

Vue 通过在 data 和 watcher 间创建一个 dep 对象，来记录这种依赖关系：

data - dep -> watcher

dep 的结构很简单，除了唯一标识属性 id，另一个属性就是用于记录所有观察者的 subs：

• id - number
• subs - [Watcher]

watcher

Vue 中 watcher 的观察对象，确切来说是一个求值表达式，或者函数。这个表达式或者函数，在一个 Vue 实例的上下文中求值或执行。这个过程中，使用到数据，也就是 watcher 所依赖的数据。用于记录依赖关系的属性是 deps，对应的是由 dep 对象组成的数组，对应所有依赖的数据。而表达式或函数，最终会作为求值函数记录到 getter 属性，每次求值得到的结果记录在 value 属性：

• vm - VueComponent
• deps - [Dep]
• getter - function
• value - *

另外，还有一个重要的属性 cb，记录回调函数，当 getter 返回的值与当前 value 不同时被调用：

• cb - function

我们通过示例来整理下 data、dep、watcher 的关系：

var vm = new Vue({
  data: {
    name: 'luobo',
    age: 18
  }
})

var userInfo = function () {
  return this.name + ' - ' + this.age
}

var onUserInfoChange = function (userInfo) {
  console.log(userInfo)
}

vm.$watch(userInfo, onUserInfoChange)

上面代码首先创建了一个新的 Vue 实例对象 vm，包含两个数据字段：name、age。对于这两个字段，Vue 会分别创建对应的 dep 对象，用于记录依赖该数据的 watcher。

然后定义了一个求值函数 userInfo，注意，这个函数会在对应的 Vue 示例上下文中执行，也就是说，执行时的 this 对应的就是 vm。

回调函数onUserInfoChange 只是打印出新的 watcher 得到的新的值，由 userInfo 执行后生成。

通过vm.$watch(userInfo, onUserInfoChange)，将vm、getter、cb 集成在一起创建了新的 watcher。创建成功后，watcher 在内部已经记录了依赖关系，watcher.deps 中记录了 vm 的 name、age 对应的 dep 对象（因为 userInfo 中使用了这两个数据）。

接下来，我们修改数据：

vm.name = 'tang'

同样，如果修改 age 的值，也会最终触发 onUserInfoChange 打印出新的结果。
用个简单的图来整理下上面的关系：

vm.name -- dep1
vm.age  -- dep2
watcher.deps --> [dep1, dep2]

修改 vm.name 后，会触发setter,此时该属性的dep1 通知相关的 watcher，然后 watcher 执行 getter，得到新的 value，再将新的 value 传给 cb：

---

深入理解源码

我们这里是根据Vue2.3源码进行分析,Vue数据响应式变化主要涉及 Observer, Watcher , Dep 这三个主要的类；因此要弄清Vue响应式变化需要明白这个三个类之间是如何运作联系的；以及它们的原理，负责的逻辑操作。那么我们从一个简单的Vue实例的代码来分析Vue的响应式原理

var vue = new Vue({
    el: "#app",
    data: {
        name: 'Junga'
    },
    created () {
        this.helloWorld()
    },
    methods: {
        helloWorld: function() {
            console.log('my name is' + this.name)
        }
    }
    ...
})

Vue初始化实例

根据Vue的生命周期我们知道，Vue首先会进行init初始化操作；源码在src/core/instance/init.js

/*初始化生命周期*/
initLifecycle(vm)
/*初始化事件*/
initEvents(vm)Object.defineProperty 
/*初始化render*/
initRender(vm)
/*调用beforeCreate钩子函数并且触发beforeCreate钩子事件*/
callHook(vm, 'beforeCreate')
initInjections(vm) // resolve injections before data/props
/*初始化props、methods、data、computed与watch*/
initState(vm)
initProvide(vm) // resolve provide after data/props
/*调用created钩子函数并且触发created钩子事件*/
callHook(vm, 'created')

以上代码可以看到 initState(vm)是用来初始化props,methods,data,computed和watch（注意初始化的顺序）;
src/core/instance/state.js

/*初始化props、methods、data、computed与watch*/
export function initState (vm: Component) {
  vm._watchers = []
  const opts = vm.$options
  /*初始化props*/
  if (opts.props) initProps(vm, opts.props)
  /*初始化方法*/
  if (opts.methods) initMethods(vm, opts.methods)
  /*初始化data*/
  if (opts.data) {
    initData(vm)
  } else {
    /*该组件没有data的时候绑定一个空对象*/
    observe(vm._data = {}, true /* asRootData */)
  }
  /*初始化computed*/
  if (opts.computed) initComputed(vm, opts.computed)
  /*初始化watchers*/
  if (opts.watch) initWatch(vm, opts.watch)
}
...

/*初始化data*/
function initData (vm: Component) {

  /*得到data数据*/
  let data = vm.$options.data
  data = vm._data = typeof data === 'function'
    ? getData(data, vm)
    : data || {}defi
  ...
  //遍历data中的数据
  while (i--) {

    /*保证data中的key不与props中的key重复，props优先，如果有冲突会产生warning*/
    if (props && hasOwn(props, keys[i])) {
      process.env.NODE_ENV !== 'production' && warn(
        `The data property "${keys[i]}" is already declared as a prop. ` +
        `Use prop default value instead.`,
        vm
      )
    } else if (!isReserved(keys[i])) {
      /*判断是否是保留字段*/

      /*这里是我们前面讲过的代理，将data上面的属性代理到了vm实例上*/
      proxy(vm, `_data`, keys[i])
    }
  }
  // observe data
  /*这里通过observe实例化Observe对象，开始对数据进行绑定，asRootData用来根数据，用来计算实例化根数据的个数，下面会进行递归observe进行对深层对象的绑定。则asRootData为非true*/
  observe(data, true /* asRootData */)
}

1、initData

现在我们重点分析下initData，这里主要做了两件事，一是将_data上面的数据代理到vm上，二是通过执行 observe(data, true /* asRootData */)将所有data变成可观察的，即对data定义的每个属性进行getter/setter操作，这里就是Vue实现响应式的基础；observe的实现如下 src/core/observer/index.js

 /*尝试创建一个Observer实例（__ob__），如果成功创建Observer实例则返回新的Observer实例，如果已有Observer实例则返回现有的Observer实例。*/
export function observe (value: any, asRootData: ?boolean): Observer | void {
  if (!isObject(value)) {
    return
  }
  let ob: Observer | void
  /*这里用__ob__这个属性来判断是否已经有Observer实例，如果没有Observer实例则会新建一个Observer实例并赋值给__ob__这个属性，如果已有Observer实例则直接返回该Observer实例，这里可以看Observer实例化的代码def(value, '__ob__', this)*/
  if (hasOwn(value, '__ob__') && value.__ob__ instanceof Observer) {
    ob = value.__ob__
  } else if (
    /*这里的判断是为了确保value是单纯的对象，而不是函数或者是Regexp等情况。而且该对象在shouldConvert的时候才会进行Observer。这是一个标识位，避免重复对value进行Observer
    */
    observerState.shouldConvert &&
    !isServerRendering() &&
    (Array.isArray(value) || isPlainObject(value)) &&
    Object.isExtensible(value) &&
    !value._isVue
  ) {
    ob = new Observer(value)
  }
  if (asRootData && ob) {
     /*如果是根数据则计数，后面Observer中的observe的asRootData非true*/
    ob.vmCount++
  }
  return ob
}

这里 new Observer(value) 就是实现响应式的核心方法之一了，通过它将data转变可以成观察的，而这里正是我们开头说的，用了Object.defineProperty实现了data的 getter/setter 操作，通过 Watcher 来观察数据的变化，进而更新到视图中。

2、Observer

Observer类，执行observe(data),其实就是给data添加__ob__属性，该属性是一个Observer对象，在他的构造器中，会调用核心方法defineReactive新建一个 dep 对象，与当前数据对应，通过Object.defineProperty()重新定义对象属性，配置属性的 set、get，从而用来依赖收集，派发更新.
src/core/observer/index.js

export class Observer {
  value: any;
  dep: Dep;
  vmCount: number; // number of vms that has this object as root $data

  constructor (value: any) {
    this.value = value
    this.dep = new Dep()
    this.vmCount = 0
    /* 将Observer实例绑定到data的__ob__属性上面去，之前说过observe的时候会先检测是否已经有__ob__对象存放Observer实例了，def方法定义可以参考/src/core/util/lang.js*/
    def(value, '__ob__', this)
    if (Array.isArray(value)) {
      /*如果是数组，将修改后可以截获响应的数组方法替换掉该数组的原型中的原生方法，达到监听数组数据变化响应的效果。这里如果当前浏览器支持__proto__属性，则直接覆盖当前数组对象原型上的原生数组方法，如果不支持该属性，则直接覆盖数组对象的原型。*/
      const augment = hasProto
        ? protoAugment  /*直接覆盖原型的方法来修改目标对象*/
        : copyAugment   /*定义（覆盖）目标对象或数组的某一个方法*/
      augment(value, arrayMethods, arrayKeys)

      /*如果是数组则需要遍历数组的每一个成员进行observe*/
      this.observeArray(value)
    } else {
      /*如果是对象则直接walk进行绑定*/
      this.walk(value)
    },

    walk (obj: Object) {
      const keys = Object.keys(obj)
      /*walk方法会遍历对象的每一个属性进行defineReactive绑定*/
      for (let i = 0; i < keys.length; i++) {
        defineReactive(obj, keys[i], obj[keys[i]])
      }
    }
  }

1. 首先将Observer实例绑定到data的__ob__属性上面去，防止重复绑定；
2. 若data为数组，先实现对应的变异方法（这里变异方法是指Vue重写了数组的7种原生方法，这里不做赘述，后续再说明），再将数组的每个成员进行observe，使之成响应式数据；
3. 否则执行walk()方法，遍历data所有的数据，进行getter/setter绑定，这里的核心方法就是 defineReative(obj, keys[i], obj[keys[i]])

export function defineReactive (
  obj: Object,
  key: string,
  val: any,
  customSetter?: Function
) {
  /*在闭包中定义一个dep对象*/
  const dep = new Dep()
  const property = Object.getOwnPropertyDescriptor(obj, key)
  if (property && property.configurable === false) {
    return
  }

  /*如果之前该对象已经预设了getter以及setter函数则将其取出来，新定义的getter/setter中会将其执行，保证不会覆盖之前已经定义的getter/setter。*/
  // cater for pre-defined getter/setters
  const getter = property && property.get
  const setter = property && property.set

  /*对象的子对象递归进行observe并返回子节点的Observer对象*/
  let childOb = observe(val)
  Object.defineProperty(obj, key, {
    enumerable: true,
    configurable: true,
    get: function reactiveGetter () {
      /*如果原本对象拥有getter方法则执行*/
      const value = getter ? getter.call(obj) : val
      if (Dep.target) {
        /*进行依赖收集*/
        dep.depend()
        if (childOb) {
          /*子对象进行依赖收集，其实就是将同一个watcher观察者实例放进了两个depend中，一个是正在本身闭包中的depend，另一个是子元素的depend*/
          childOb.dep.depend()
        }
        if (Array.isArray(value)) {
          /*是数组则需要对每一个成员都进行依赖收集，如果数组的成员还是数组，则递归。*/
          dependArray(value)
        }
      }
      return value
    },
    set: function reactiveSetter (newVal) {
      /*通过getter方法获取当前值，与新值进行比较，一致则不需要执行下面的操作*/
      const value = getter ? getter.call(obj) : val
      /* eslint-disable no-self-compare */
      if (newVal === value || (newVal !== newVal && value !== value)) {
        return
      }
      /* eslint-enable no-self-compare */
      if (process.env.NODE_ENV !== 'production' && customSetter) {
        customSetter()
      }
      if (setter) {
        /*如果原本对象拥有setter方法则执行setter*/
        setter.call(obj, newVal)
      } else {
        val = newVal
      }
      /*新的值需要重新进行observe，保证数据响应式*/
      childOb = observe(newVal)
      /*dep对象通知所有的观察者*/
      dep.notify()
    }
  })
}

其中getter方法：

1. 先为每个data声明一个 Dep 实例对象，被用于getter时执行dep.depend()进行收集相关的依赖;
2. 根据Dep.target来判断是否收集依赖，还是普通取值。Dep.target是在什么时候，如何收集的后面再说明，先简单了解它的作用

那么问题来了，我们为啥要收集相关依赖呢？

new Vue({
    template: 
        `

            text1: {{text1}}
            text2: {{text2}}
        
`,
    data: {
        text1: 'text1',
        text2: 'text2',
        text3: 'text3'
    }
});

我们可以从以上代码看出，data中text3并没有被模板实际用到，为了提高代码执行效率，我们没有必要对其进行响应式处理，因此，依赖收集简单点理解就是收集只在实际页面中用到的data数据，然后打上标记，这里就是标记为Dep.target。

在setter方法中:

1. 获取新的值并且进行observe，保证数据响应式；
2. 通过 dep.notify()通知所有观察者去更新数据，从而达到响应式效果。

在Observer类中，我们可以看到在getter时，dep会收集相关依赖，即收集依赖的watcher，然后在setter操作时候通过dep去通知watcher,此时watcher就执行变化

3、Watcher

Watcher是一个观察者对象。依赖收集以后Watcher对象会被保存在Dep的subs中，数据变动的时候Dep会通知Watcher实例，然后由Watcher实例回调cb进行视图的更新。src/core/observer/watcher.js

export function mountComponent(
  vm: Component,
  el: ?Element,
  hydrating?: boolean
): Component {
  // ...
  let updateComponent
  if (process.env.NODE_ENV !== 'production' && config.performance && mark) {} else {
    // 组件渲染，该回调会在初始化和数据变化时调用
    updateComponent = () => {
      vm._update(vm._render(), hydrating)
    }
  }
  // 实例化渲染 Watcher
  new Watcher(
    vm,
    updateComponent,
    noop,
    {
      before() {
        if (vm._isMounted) {
          callHook(vm, 'beforeUpdate')
        }
      }
    },
    true /* isRenderWatcher */
  )
  return vm
}

export default class Watcher {
  constructor (
    vm: Component,
    expOrFn: string | Function,
    cb: Function,
    options?: Object
  ) {
    this.vm = vm
    /*_watchers存放订阅者实例*/
    vm._watchers.push(this)
    // options
    if (options) {
      this.deep = !!options.deep
      this.user = !!options.user
      this.lazy = !!options.lazy
      this.sync = !!options.sync
    } else {
      this.deep = this.user = this.lazy = this.sync = false
    }
    this.cb = cb
    this.id = ++uid // uid for batching
    this.active = true
    this.dirty = this.lazy // for lazy watchers
    this.deps = []
    this.newDeps = []
    this.depIds = new Set()
    this.newDepIds = new Set()
    this.expression = process.env.NODE_ENV !== 'production'
      ? expOrFn.toString()
      : ''
    // parse expression for getter
    /*把表达式expOrFn解析成getter*/
    if (typeof expOrFn === 'function') {
      this.getter = expOrFn
    } else {
      this.getter = parsePath(expOrFn)
      if (!this.getter) {
        this.getter = function () {}
        process.env.NODE_ENV !== 'production' && warn(
          `Failed watching path: "${expOrFn}" ` +
          'Watcher only accepts simple dot-delimited paths. ' +
          'For full control, use a function instead.',
          vm
        )
      }
    }
    this.value = this.lazy
      ? undefined
      : this.get()
  }

  /**
   * Evaluate the getter, and re-collect dependencies.
   */
   /*获得getter的值并且重新进行依赖收集*/
  get () {
    /*将自身watcher观察者实例设置给Dep.target，用以依赖收集。*/
    pushTarget(this)
    let value
    const vm = this.vm

    /*执行了getter操作，看似执行了渲染操作，其实是执行了依赖收集。
      在将Dep.target设置为自生观察者实例以后，执行getter操作。
      譬如说现在的的data中可能有a、b、c三个数据，getter渲染需要依赖a跟c，
      那么在执行getter的时候就会触发a跟c两个数据的getter函数，
      在getter函数中即可判断Dep.target是否存在然后完成依赖收集，
      将该观察者对象放入闭包中的Dep的subs中去。*/
    if (this.user) {
      try {
        value = this.getter.call(vm, vm)
      } catch (e) {
        handleError(e, vm, `getter for watcher "${this.expression}"`)
      }
    } else {
      value = this.getter.call(vm, vm)
    }
    // "touch" every property so they are all tracked as
    // dependencies for deep watching
    /*如果存在deep，则触发每个深层对象的依赖，追踪其变化*/
    if (this.deep) {
      /*递归每一个对象或者数组，触发它们的getter，使得对象或数组的每一个成员都被依赖收集，形成一个“深（deep）”依赖关系*/
      traverse(value)
    }

    /*将观察者实例从target栈中取出并设置给Dep.target*/
    popTarget()
    this.cleanupDeps()
    return value
  }

  /**
   * Add a dependency to this directive.
   */
   /*添加一个依赖关系到Deps集合中*/
  addDep (dep: Dep) {
    const id = dep.id
    if (!this.newDepIds.has(id)) {
      this.newDepIds.add(id)
      this.newDeps.push(dep)
      if (!this.depIds.has(id)) {
        dep.addSub(this)
      }
    }
  }

  /**
   * Clean up for dependency collection.
   */
   /*清理依赖收集*/
  cleanupDeps () {
    /*移除所有观察者对象*/
    ...
  }

  /**
   * Subscriber interface.
   * Will be called when a dependency changes.
   */
   /*
      调度者接口，当依赖发生改变的时候进行回调。
   */
  update () {
    /* istanbul ignore else */
    if (this.lazy) {
      this.dirty = true
    } else if (this.sync) {
      /*同步则执行run直接渲染视图*/
      this.run()
    } else {
      /*异步推送到观察者队列中，下一个tick时调用。*/
      queueWatcher(this)
    }
  }

  /**
   * Scheduler job interface.
   * Will be called by the scheduler.
   */
   /*
      调度者工作接口，将被调度者回调。
    */
  run () {
    if (this.active) {
      /* get操作在获取value本身也会执行getter从而调用update更新视图 */
      const value = this.get()
      if (
        value !== this.value ||
        // Deep watchers and watchers on Object/Arrays should fire even
        // when the value is the same, because the value may
        // have mutated.
        /*
            即便值相同，拥有Deep属性的观察者以及在对象／数组上的观察者应该被触发更新，因为它们的值可能发生改变。
        */
        isObject(value) ||
        this.deep
      ) {
        // set new value
        const oldValue = this.value
        /*设置新的值*/
        this.value = value

        /*触发回调*/
        if (this.user) {
          try {
            this.cb.call(this.vm, value, oldValue)
          } catch (e) {
            handleError(e, this.vm, `callback for watcher "${this.expression}"`)
          }
        } else {
          this.cb.call(this.vm, value, oldValue)
        }
      }
    }
  }

  /**
   * Evaluate the value of the watcher.
   * This only gets called for lazy watchers.
   */
   /*获取观察者的值*/
  evaluate () {
    this.value = this.get()
    this.dirty = false
  }

  /**
   * Depend on all deps collected by this watcher.
   */
   /*收集该watcher的所有deps依赖*/
  depend () {
    let i = this.deps.length
    while (i--) {
      this.deps[i].depend()
    }
  }

  /**
   * Remove self from all dependencies' subscriber list.
   */
   /*将自身从所有依赖收集订阅列表删除*/
  teardown () {
   ...
  }
}

4、Dep（发布-订阅模式核心，调度中心，中介者）

src/core/observer/dep.js

export default class Dep {
  static target: ?Watcher;
  id: number;
  subs: Array<Watcher>;

  constructor () {
    this.id = uid++
    this.subs = []
  }

  /*添加一个观察者对象*/
  addSub (sub: Watcher) {
    this.subs.push(sub)
  }

  /*移除一个观察者对象*/
  removeSub (sub: Watcher) {
    remove(this.subs, sub)
  }

  /*依赖收集，当存在Dep.target的时候添加观察者对象*/
  depend () {
    if (Dep.target) {
      Dep.target.addDep(this)
    }
  }

  /*通知所有订阅者*/
  notify () {
    // stabilize the subscriber list first
    const subs = this.subs.slice()
    for (let i = 0, l = subs.length; i < l; i++) {
      subs[i].update()
    }
  }
}

解决的疑问（视图无法更新）

记一次思否问答的问题思考：Vue为什么不能检测数组变动

1、 不能检测到的数组变动是：

• 当利用索引直接设置一个项时，例如：vm.items[indexOfItem] = newValue；
• 当修改数组的长度时，例如：vm.items.length = newLength；

Object.defineProperty的第一个缺陷,无法监听数组变化，只针对了以上7种方法（push() pop() shift() unshift() splice() sort() reverse()）进行了hack处理,所以其他数组的属性也是检测不到的

总结：其实defineProperty是可以对数组进行监听的，只不过在一开始遍历data里面的数据时，当数据是数组时，会停止对数据属性的监测。尤大说是性能问题。因为数组一般是用来遍历的，如果有1000个元素，遍历一次就触发1000次getter，同时数组有频繁的增删操作，所以放弃了

2、不能检测到的对象变动是：

• 向响应式对象添加属性；
• 向响应式对象删除属性；

总结：虽然他们的值改变了，但是无法触发视图更新，因为这些属性没有dep，一开始没有监听到，不是响应式数据（2.0只是对对象属性的劫持）

这些问题在Vue3.0通过proxy代替defineProperty来解决,但是proxy兼容性不好

defineProperty缺点：

• 无法监听数组变化，只针对了以上7种方法
• 只能劫持对象的属性,因此我们需要对每个对象的每个属性进行遍历，如果属性值也是对象那么需要深度遍历（因为监听的是属性，所以新属性无法监听）
• 只规定能够定义属性的属性描述符（configurable,enumerable,writable,value）或存取访问器（configurable,enumerable,get,set）

proxy优点：《ES6中的代理模式-----Proxy》

• Proxy直接可以劫持整个对象，并返回一个新对象，即直接监听对象而非属性（可能是解决了对象属性的添加和删除监听）
• Proxy 不仅可以代理对象,还可以代理数组。还可以代理动态增加的属性
• 可以直接监听数组的变化
• Proxy增强到了13种对对象的操作定义

补：为什么组件的data()是个函数，而不是个对象：

vue组件中data为什么必须是个函数
因为这样可以避免了多个组件共用一个对象，互相独立

总结

1、简单讲一下Vue的响应式原理：

首先在初始化 init的过程，会执行 initState()，其中包括了初始化data，也就是执行了initData()，在initData()里面会执行observe(data)，其实就是给data添加一个_ob_属性，该属性是一个Observer实例对象，在它的构造器中，会遍历data里面的属性，依次执行defineReactive()这个核心函数,通过defineReactive()调用Object.defineProperty()方法，会给data的每个属性添加getter和setter，并且为每个属性都新建一个dep对象，以此来达到依赖收集、派发更新的目的

2、依赖收集

每个data里面的属性都有dep对象，dep对象里面的subs属性用来存放watcher数组，在mountComponent的过程中，会new Watcher()将updateComponent传入，new Watcher()会将自身watcher观察者实例设置给Dep.target，之后调用updateComponent回调函数，该回调函数会执行 render()方法，即访问到data，此时会触发某个属性的getter，该属性的dep对象就会将当前的watcher收集到subs数组中

3、派发更新

当修改某个属性时，会触发setter，此时该属性的dep对象就会通过 dep.notify() 遍历了 dep.subs 通知每个 watcher 观察者去执行update()来更新数据

4、依赖清除

清理依赖，判断是否还需要某些依赖，不需要的清除，这是为了性能优化