全面理解虛擬DOM，實現虛擬DOM

最近一兩年前端最火的技術莫過於ReactJS，即便你沒用過也該聽過，ReactJS由業界頂尖的網際網路公司facebook提出，其本身有很多先進的設計思路，比如頁面UI元件化、虛擬DOM等。本文將帶你解開虛擬DOM的神祕面紗，不僅要理解其原理，而且要實現一個基本可用的虛擬DOM。

1.為什麼需要虛擬DOM

DOM是很慢的，其元素非常龐大，頁面的效能問題鮮有由JS引起的，大部分都是由DOM操作引起的。如果對前端工作進行抽象的話，主要就是維護狀態和更新檢視；而更新檢視和維護狀態都需要DOM操作。其實近年來，前端的框架主要發展方向就是解放DOM操作的複雜性。

在jQuery出現以前，我們直接操作DOM結構，這種方法複雜度高，相容性也較差；有了jQuery強大的選擇器以及高度封裝的API，我們可以更方便的操作DOM，jQuery幫我們處理相容性問題，同時也使DOM操作變得簡單；但是聰明的程式設計師不可能滿足於此，各種MVVM框架應運而生，有angularJS、avalon、vue.js等，MVVM使用資料雙向繫結，使得我們完全不需要操作DOM了，更新了狀態檢視會自動更新，更新了檢視資料狀態也會自動更新，可以說MMVM使得前端的開發效率大幅提升，但是其大量的事件繫結使得其在複雜場景下的執行效能堪憂；有沒有一種兼顧開發效率和執行效率的方案呢？ReactJS就是一種不錯的方案，雖然其將JS程式碼和HTML程式碼混合在一起的設計有不少爭議，但是其引入的Virtual DOM(虛擬DOM)卻是得到大家的一致認同的。

2.理解虛擬DOM

虛擬的DOM的核心思想是：對複雜的文件DOM結構，提供一種方便的工具，進行最小化地DOM操作。這句話，也許過於抽象，卻基本概況了虛擬DOM的設計思想

(1) 提供一種方便的工具，使得開發效率得到保證
(2) 保證最小化的DOM操作，使得執行效率得到保證

(1).用JS表示DOM結構

DOM很慢，而javascript很快，用javascript物件可以很容易地表示DOM節點。DOM節點包括標籤、屬性和子節點，通過VElement表示如下。

//虛擬dom，引數分別為標籤名、屬性物件、子DOM列表
var VElement = function(tagName, props, children) {
    //保證只能通過如下方式呼叫：new VElement
    if (!(this instanceof VElement)) {
        return new VElement(tagName, props, children);
    }

    //可以通過只傳遞tagName和children引數
    if (util.isArray(props)) {
        children = props;
        props = {};
    }

    //設定虛擬dom的相關屬性
    this.tagName = tagName;
    this.props = props || {};
    this.children = children || [];
    this.key = props ? props.key : void 666;
    var count = 0;
    util.each(this.children, function(child, i) {
        if (child instanceof VElement) {
            count += child.count;
        } else {
            children[i] = '' + child;
        }
        count++;
    });
    this.count = count;
}

通過VElement，我們可以很簡單地用javascript表示DOM結構。比如

var vdom = velement('div', { 'id': 'container' }, [
    velement('h1', { style: 'color:red' }, ['simple virtual dom']),
    velement('p', ['hello world']),
    velement('ul', [velement('li', ['item #1']), velement('li', ['item #2'])]),
]);

上面的javascript程式碼可以表示如下DOM結構：

<div id="container">
    <h1 style="color:red">simple virtual dom</h1>
    <p>hello world</p>
    <ul>
        <li>item #1</li>
        <li>item #2</li>
    </ul>   
</div>

同樣我們可以很方便地根據虛擬DOM樹構建出真實的DOM樹。具體思路：根據虛擬DOM節點的屬性和子節點遞迴地構建出真實的DOM樹。見如下程式碼：

VElement.prototype.render = function() {
    //建立標籤
    var el = document.createElement(this.tagName);
    //設定標籤的屬性
    var props = this.props;
    for (var propName in props) {
        var propValue = props[propName]
        util.setAttr(el, propName, propValue);
    }

    //依次建立子節點的標籤
    util.each(this.children, function(child) {
        //如果子節點仍然為velement，則遞迴的建立子節點，否則直接建立文字型別節點
        var childEl = (child instanceof VElement) ? child.render() : document.createTextNode(child);
        el.appendChild(childEl);
    });

    return el;
}

對一個虛擬的DOM物件VElement，呼叫其原型的render方法，就可以產生一顆真實的DOM樹。

vdom.render();

既然我們可以用JS物件表示DOM結構，那麼當資料狀態發生變化而需要改變DOM結構時，我們先通過JS物件表示的虛擬DOM計算出實際DOM需要做的最小變動，然後再操作實際DOM，從而避免了粗放式的DOM操作帶來的效能問題。

(2).比較兩棵虛擬DOM樹的差異

在用JS物件表示DOM結構後，當頁面狀態發生變化而需要操作DOM時，我們可以先通過虛擬DOM計算出對真實DOM的最小修改量，然後再修改真實DOM結構(因為真實DOM的操作代價太大)。

如下圖所示，兩個虛擬DOM之間的差異已經標紅：

為了便於說明問題，我當然選取了最簡單的DOM結構，兩個簡單DOM之間的差異似乎是顯而易見的，但是真實場景下的DOM結構很複雜，我們必須藉助於一個有效的DOM樹比較演算法。

設計一個diff演算法有兩個要點：

如何比較兩個兩棵DOM樹
如何記錄節點之間的差異

<1> 如何比較兩個兩棵DOM樹

計算兩棵樹之間差異的常規演算法複雜度為O(n³)，一個文件的DOM結構有上百個節點是很正常的情況，這種複雜度無法應用於實際專案。針對前端的具體情況：我們很少跨級別的修改DOM節點，通常是修改節點的屬性、調整子節點的順序、新增子節點等。因此，我們只需要對同級別節點進行比較，避免了diff演算法的複雜性。對同級別節點進行比較的常用方法是深度優先遍歷：

function diff(oldTree, newTree) {
    //節點的遍歷順序
    var index = 0; 
    //在遍歷過程中記錄節點的差異
    var patches = {}; 
    //深度優先遍歷兩棵樹
    dfsWalk(oldTree, newTree, index, patches); 
    return patches; 
}

<2>如何記錄節點之間的差異

由於我們對DOM樹採取的是同級比較，因此節點之間的差異可以歸結為4種型別：

修改節點屬性, 用PROPS表示
修改節點文字內容, 用TEXT表示
替換原有節點, 用REPLACE表示
調整子節點，包括移動、刪除等，用REORDER表示

對於節點之間的差異，我們可以很方便地使用上述四種方式進行記錄，比如當舊節點被替換時：

{type:REPLACE,node:newNode}

而當舊節點的屬性被修改時：

{type:PROPS,props: newProps}

在深度優先遍歷的過程中，每個節點都有一個編號，如果對應的節點有變化，只需要把相應變化的類別記錄下來即可。下面是具體實現：

function dfsWalk(oldNode, newNode, index, patches) {
    var currentPatch = [];
    if (newNode === null) {
        //依賴listdiff演算法進行標記為刪除
    } else if (util.isString(oldNode) && util.isString(newNode)) {
        if (oldNode !== newNode) {
            //如果是文字節點則直接替換文字
            currentPatch.push({
                type: patch.TEXT,
                content: newNode
            });
        }
    } else if (oldNode.tagName === newNode.tagName && oldNode.key === newNode.key) {
        //節點型別相同
        //比較節點的屬性是否相同
        var propsPatches = diffProps(oldNode, newNode);
        if (propsPatches) {
            currentPatch.push({
                type: patch.PROPS,
                props: propsPatches
            });
        }
        //比較子節點是否相同
        diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, patches, currentPatch);
    } else {
        //節點的型別不同，直接替換
        currentPatch.push({ type: patch.REPLACE, node: newNode });
    }

    if (currentPatch.length) {
        patches[index] = currentPatch;
    }
}

比如對上文圖中的兩顆虛擬DOM樹，可以用如下資料結構記錄它們之間的變化：

var patches = {
        1:{type:REPLACE,node:newNode}, //h1節點變成h5
        5:{type:REORDER,moves:changObj} //ul新增了子節點li
    }

(3).對真實DOM進行最小化修改

通過虛擬DOM計算出兩顆真實DOM樹之間的差異後，我們就可以修改真實的DOM結構了。上文深度優先遍歷過程產生了用於記錄兩棵樹之間差異的資料結構patches, 通過使用patches我們可以方便對真實DOM做最小化的修改。

//將差異應用到真實DOM
function applyPatches(node, currentPatches) {
    util.each(currentPatches, function(currentPatch) {
        switch (currentPatch.type) {
            //當修改型別為REPLACE時
            case REPLACE:
                var newNode = (typeof currentPatch.node === 'String')
                 ? document.createTextNode(currentPatch.node) 
                 : currentPatch.node.render();
                node.parentNode.replaceChild(newNode, node);
                break;
            //當修改型別為REORDER時
            case REORDER:
                reoderChildren(node, currentPatch.moves);
                break;
            //當修改型別為PROPS時
            case PROPS:
                setProps(node, currentPatch.props);
                break;
            //當修改型別為TEXT時
            case TEXT:
                if (node.textContent) {
                    node.textContent = currentPatch.content;
                } else {
                    node.nodeValue = currentPatch.content;
                }
                break;
            default:
                throw new Error('Unknow patch type ' + currentPatch.type);
        }
    });
}

至此，虛擬DOM的基本原理已經基本講解完成了；我們也一起實現了一個基本可用的虛擬DOM。本文中只給出了關鍵的原始碼，全部原始碼請參考我的github。

本文同時發表在我的部落格積木村の研究所 ：http://foio.github.io/virtual-dom/