虚拟DOM详解

React为啥这么大？因为它实现了一个虚拟DOM（Virtual DOM）。虚拟DOM是干什么的？这就要从浏览器本身讲起。

如我们所知，在浏览器渲染网页的过程中，加载到HTML文档后，会将文档解析并构建DOM树，然后将其与解析CSS生成的CSSOM树一起结合产生爱的结晶——RenderObject树，然后将RenderObject树渲染成页面（当然中间可能会有一些优化，比如RenderLayer树）。这些过程都存在与渲染引擎之中，渲染引擎在浏览器中是于JavaScript引擎（JavaScriptCore也好V8也好）分离开的，但为了方便JS操作DOM结构，渲染引擎会暴露一些接口供JavaScript调用。

由于这两块相互分离，通信是需要付出代价的，因此JavaScript调用DOM提供的接口性能不咋地。各种性能优化的最佳实践也都在尽可能的减少DOM操作次数。

而虚拟DOM干了什么？它直接用JavaScript实现了DOM树（大致上）。组件的HTML结构并不会直接生成DOM，而是映射生成虚拟的JavaScript DOM结构，React又通过在这个虚拟DOM上实现了一个 diff 算法找出最小变更，再把这些变更写入实际的DOM中。这个虚拟DOM以JS结构的形式存在，计算性能会比较好，而且由于减少了实际DOM操作次数，性能会有较大提升。

 

• 为什么需要虚拟DOM
• 实现虚拟DOM
• Diff算法
• 映射成真实DOM

 

为什么需要虚拟DOM

先介绍浏览器加载一个HTML文件需要做哪些事，帮助我们理解为什么我们需要虚拟DOM。webkit引擎的处理流程，一图胜千言：

 

所有浏览器的引擎工作流程都差不多，如上图大致分5步：创建DOM tree –> 创建Style Rules -> 构建Render tree -> 布局Layout –> 绘制Painting

 

第一步，用HTML分析器，分析HTML元素，构建一颗DOM树。

第二步：用CSS分析器，分析CSS文件和元素上的inline样式，生成页面的样式表。

第三步：将上面的DOM树和样式表，关联起来，构建一颗Render树。这一过程又称为Attachment。每个DOM节点都有attach方法，接受样式信息，返回一个render对象（又名renderer）。这些render对象最终会被构建成一颗Render树。

第四步：有了Render树后，浏览器开始布局，会为每个Render树上的节点确定一个在显示屏上出现的精确坐标值。

第五步：Render数有了，节点显示的位置坐标也有了，最后就是调用每个节点的paint方法，让它们显示出来。

当你用传统的源生api或jQuery去操作DOM时，浏览器会从构建DOM树开始从头到尾执行一遍流程。比如当你在一次操作时，需要更新10个DOM节点，理想状态是一次性构建完DOM树，再执行后续操作。但浏览器没这么智能，收到第一个更新DOM请求后，并不知道后续还有9次更新操作，因此会马上执行流程，最终执行10次流程。显然例如计算DOM节点的坐标值等都是白白浪费性能，可能这次计算完，紧接着的下一个DOM更新请求，这个节点的坐标值就变了，前面的一次计算是无用功。

即使计算机硬件一直在更新迭代，操作DOM的代价仍旧是昂贵的，频繁操作还是会出现页面卡顿，影响用户的体验。真实的DOM节点，哪怕一个最简单的div也包含着很多属性，可以打印出来直观感受一下：

 

虚拟DOM就是为了解决这个浏览器性能问题而被设计出来的。例如前面的例子，假如一次操作中有10次更新DOM的动作，虚拟DOM不会立即操作DOM，而是将这10次更新的diff内容保存到本地的一个js对象中，最终将这个js对象一次性attach到DOM树上，通知浏览器去执行绘制工作，这样可以避免大量的无谓的计算量。

 

实现虚拟DOM

我们来实现一个虚拟DOM。例如一个真实的DOM节点：

<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对象来模拟DOM节点如下：

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']),

    ]),

]);

 

const root = tree.render();

document.getElementById('virtualDom').appendChild(root);

用js对象模拟DOM节点的好处是，页面的更新可以先全部反映在js对象上，操作内存中的js对象的速度显然要快多了。等更新完后，再将最终的js对象映射成真实的DOM，交由浏览器去绘制。

那具体怎么实现呢？看一下Element方法的具体实现：

function Element(tagName, props, children) {

    if (!(this instanceof Element)) {

        return new Element(tagName, props, children);

    }

 

    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;

}

第一个参数是节点名（如div），第二个参数是节点的属性（如class），第三个参数是子节点（如ul的li）。除了这三个参数会被保存在对象上外，还保存了key和count。

 

有了js对象后，最终还需要将其映射成真实的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;

};

上面都是自解释代码，根据DOM名调用源生的createElement创建真实DOM，将DOM的属性全都加到这个DOM元素上，如果有子元素继续递归调用创建子元素，并appendChild挂到该DOM元素上。这样就完成了从创建虚拟DOM到将其映射成真实DOM的全部工作。

 

Diff算法

我们已经完成了创建虚拟DOM并将其映射成真实DOM的工作，这样所有的更新都可以先反映到虚拟DOM上，如何反映呢？需要明确一下Diff算法。

两棵树如果完全比较时间复杂度是O(n^3)，但参照《深入浅出React和Redux》一书中的介绍，React的Diff算法的时间复杂度是O(n)。要实现这么低的时间复杂度，意味着只能平层地比较两棵树的节点，放弃了深度遍历。这样做，似乎牺牲了一定的精确性来换取速度，但考虑到现实中前端页面通常也不会跨层级移动DOM元素，所以这样做是最优的。

我们新创建一棵树，用于和之前的树进行比较.

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']),

    ]),

]);

只考虑平层地Diff的话，就简单多了，只需要考虑以下4种情况：

第一种是最简单的，节点类型变了，例如下图中的P变成了h3。我们将这个过程称之为REPLACE。直接将旧节点卸载（componentWillUnmount）并装载新节点（componentWillMount）就行了。

 

（为简单起见上图隐藏了文本节点）

旧节点包括下面的子节点都将被卸载，如果新节点和旧节点仅仅是类型不同，但下面的所有子节点都一样时，这样做显得效率不高。但为了避免O(n^3)的时间复杂度，这样做是值得的。这也提醒了React开发者，应该避免无谓的节点类型的变化，例如运行时将div变成p就没什么太大意义。

第二种也比较简单，节点类型一样，仅仅属性或属性值变了。

renderA: <ul>

renderB: <ul class: 'marginLeft10'>

=> [addAttribute class "marginLeft10"]

我们将这个过程称之为PROPS。此时不会触发节点的卸载（componentWillUnmount）和装载（componentWillMount）动作。而是执行节点更新（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;

}

第三种是文本变了，文本对也是一个Text Node，也比较简单，直接修改文字内容就行了，我们将这个过程称之为TEXT。

第四种是移动，增加，删除子节点，我们将这个过程称之为REORDER。具体可以看这篇虚拟DOM Diff算法解析。例如：

 

在中间插入一个节点，程序员写代码很简单：$(B).after(F)。但如何高效地插入呢？简单粗暴的做法是：卸载C，装载F，卸载D，装载C，卸载E，装载D，装载E。如下图：

 

我们写JSX代码时，如果没有给数组或枚举类型定义一个key，就会看到下面这样的warning。React提醒我们，没有key的话，涉及到移动，增加，删除子节点的操作时，就会用上面那种简单粗暴的做法来更新。虽然程序运行不会有错，但效率太低，因此React会给我们一个warning。

如果我们在JSX里为数组或枚举型元素增加上key后，React就能根据key，直接找到具体的位置进行操作，效率比较高。如下图：

 

常见的最小编辑距离问题，可以用Levenshtein Distance算法来实现，时间复杂度是O(M*N)，但通常我们只要一些简单的移动就能满足需要，降低点精确性，将时间复杂度降低到O(max(M, N)即可。具体可参照采用深度剖析：如何实现一个 Virtual DOM 算法里的一个算法一文。或自行阅读例子中的源代码

最终Diff出来的结果如下：

{

    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"} ],

}

映射成真实DOM

虚拟DOM有了，Diff也有了，现在就可以将Diff应用到真实DOM上了。深度遍历DOM将Diff的内容更新进去：

function dfsWalk(node, walker, patches) {

    const currentPatches = patches[walker.index];

 

    const len = node.childNodes ? node.childNodes.length : 0;

    for (let i = 0; i < len; i++) {

        walker.index++;

        dfsWalk(node.childNodes[i], walker, patches);

    }

 

    if (currentPatches) {

        applyPatches(node, currentPatches);

    }

}

具体更新的代码如下，其实就是根据Diff信息调用源生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}`);

        }

    });

}

虚拟DOM的目的是将所有操作累加起来，统计计算出所有的变化后，统一更新一次DOM。其实即使不懂原理，业务代码照样写，但理解原理后，出了什么新东东如React Fiber才能快速跟上。