Vue 資料響應式原理

前言

Vue.js 的核心包括一套“響應式系統”。

“響應式”，是指當資料改變後，Vue 會通知到使用該資料的程式碼。例如，檢視渲染中使用了資料，資料改變後，檢視也會自動更新。

舉個簡單的例子，對於模板：

<div id="root">{{ name }}</div>
複製程式碼

建立一個 Vue 元件：

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

程式碼執行後，頁面上對應位置會顯示：luobo。

如果想改變顯示的名字，只需要執行：

vm.name = 'tang'
複製程式碼

這樣頁面上就會顯示修改後的名字了，並不需要去手動修改 DOM 更新資料。

接下來，我們就一起深入瞭解 Vue 的資料響應式原理，搞清楚響應式的實現機制。

基本概念

Vue 的響應式，核心機制是 觀察者模式。

資料是被觀察的一方，發生改變時，通知所有的觀察者，這樣觀察者可以做出響應，比如，重新渲染然後更新檢視。

我們把依賴資料的觀察者稱為 watcher，那麼這種關係可以表示為：

data -> watcher
複製程式碼

資料可以有多個觀察者，怎麼記錄這種依賴關係呢？

Vue 通過在 data 和 watcher 間建立一個 dep 物件，來記錄這種依賴關係：

data - dep -> watcher
複製程式碼

dep 的結構很簡單，除了唯一標識屬性 id，另一個屬性就是用於記錄所有觀察者的 subs：

• id - number
• subs - [Watcher]

再來看 watcher。

Vue 中 watcher 的觀察物件，確切來說是一個求值表示式，或者函式。這個表示式或者函式，在一個 Vue 例項的上下文中求值或執行。這個過程中，使用到資料，也就是 watcher 所依賴的資料。用於記錄依賴關係的屬性是 deps，對應的是由 dep 物件組成的陣列，對應所有依賴的資料。而表示式或函式，最終會作為求值函式記錄到 getter 屬性，每次求值得到的結果記錄在 value 屬性：

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

另外，還有一個重要的屬性 cb，記錄回撥函式，當 getter 返回的值與當前 value 不同時被呼叫：

• cb - function

我們通過示例來整理下 data、dep、watcher 的關係：

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)
複製程式碼

上面程式碼首先建立了一個新的 Vue 例項物件 vm，包含兩個資料欄位：name、age。對於這兩個欄位，Vue 會分別建立對應的 dep 物件，用於記錄依賴該資料的 watcher。

然後定義了一個求值函式 userInfo，注意，這個函式會在對應的 Vue 示例上下文中執行，也就是說，執行時的 this 對應的就是 vm。

回撥函式 onUserInfoChange 只是列印出新的 watcher 得到的新的值，由 userInfo 執行後生成。

通過 vm.$watch(userInfo, onUserInfoChange)，將 vm、getter、cb 整合在一起建立了新的 watcher。建立成功後，watcher 在內部已經記錄了依賴關係，watcher.deps 中記錄了 vm 的 name、age 對應的 dep 物件（因為 userInfo 中使用了這兩個資料）。

接下來，我們修改資料：

vm.name = 'tang'
複製程式碼

執行後，控制檯會輸出：

tang - 18
複製程式碼

同樣，如果修改 age 的值，也會最終觸發 onUserInfoChange 列印出新的結果。

用個簡單的圖來整理下上面的關係：

vm.name -- dep1
vm.age  -- dep2
watcher.deps --> [dep1, dep2]
複製程式碼

修改 vm.name 後，dep1 通知相關的 watcher，然後 watcher 執行 getter，得到新的 value，再將新的 value 傳給 cb：

vm.name -> dep1 -> watcher -> getter -> value -> cb
複製程式碼

可能你也注意到了，上面例子中的 userInfo，貌似就是計算屬性的作用嘛：

var vm = new Vue({
  data: {
    name: 'luobo',
    age: 18
  },
  computed: {
    userInfo() {
      return this.name + ' - ' + this.age
    }
  }
})
複製程式碼

其實，計算屬性在內部也是基於 watcher 實現的，每個計算屬性對應一個 watcher，其 getter 也就是計算屬性的宣告函式。 不過，計算屬性對應的 watcher 與直接通過 vm.$watch() 建立的 watcher 略有不同，畢竟如果沒有地方使用到這個計算屬性，資料改變時都重新進行計算會有點浪費，這個在本文後面會講到。

上面描述了 data、dep、watcher 的關係，但是問題來了，這種依賴關係是如何建立的呢？資料改變後，又是如何通知 watcher 的呢？

接下來我們深入 Vue 原始碼，搞清楚這兩個問題。

建立依賴關係

Vue 原始碼版本 v2.5.13，文中摘錄的部分程式碼為便於分析進行了簡化或改寫。

響應式的核心邏輯，都在 Vue 專案的 “vue/src/core/observer” 目錄下面。

我們還是先順著前面示例程式碼來捋一遍，首先是 Vue 例項化過程：

var vm = new Vue(/* ... */)
複製程式碼

跟將傳入的 data 進行響應式初始化相關的程式碼，在 “vue/src/core/instance/state.js” 檔案中：

observer/state.js#L149

// new Vue() -> ... -> initState() -> initData()
observe(data)
複製程式碼

函式 observe() 的目的是讓傳入的整個物件成為響應式的，它會遍歷物件的所有屬性，然後執行：

observer/index.js#L64

// observe() -> new Observer() -> observer.walk()
defineReactive(obj, key, value)
複製程式碼

defineReactive() 就是用於定義響應式資料的核心函式。它主要做的事情包括：

• 新建一個 dep 物件，與當前資料對應
• 通過 Object.defineProperty() 重新定義物件屬性，配置屬性的 set、get，從而資料被獲取、設定時可以執行 Vue 的程式碼

OK，先到這裡，關於 Vue 例項化告一段落。

需要要注意的是，傳入 Vue 的 data 的所有屬性，會被代理到新建立的 Vue 例項物件上，這樣通過 vm.name 進行操作的其實就是 data.name，這也是藉助 Object.defineProperty() 實現的。

再來看 watcher 的建立過程：

vm.$watch(userInfo, onUserInfoChange)
複製程式碼

上述程式碼執行後，會呼叫：

instance/state.js#L346

// Vue.prototype.$watch()
new Watcher(vm, expOrFn, cb, options)
複製程式碼

也就是：

new Watcher(vm, userInfo, onUserInfoChange, {/* 略 */})
複製程式碼

在 watcher 物件建立過程中，除了記錄 vm、getter、cb 以及初始化各種屬性外，最重要的就是呼叫了傳入的 getter 函式：

observer/watcher.js#L103

// new Watcher() -> watcher.get()
value = this.getter.call(vm, vm)
複製程式碼

在 getter 函式的執行過程中，獲取讀取需要的資料，於是觸發了前面通過 defineReactive() 配置的 get 方法：

if (Dep.target) {
  dep.depend()
}
複製程式碼

這是做什麼呢？

回到 watcher.get() 方法，在執行 getter 函式的前後，分別有如下程式碼：

pushTarget(this)
// ... 
value = this.getter.call(vm, vm)
// ...
popTarget()
複製程式碼

pushTarget() 將當前 watcher 設定為 Dep.target，這樣在執行到 vm.name 進一步執行對應的 get 方法時，Dep.target 的值就是這裡的 watcher，然後通過 dep.depend() 就建立了依賴關係。

dep.depend() 執行的邏輯就比較好推測了，將 watcher（通過 Dep.target 引用到）記錄到 dep.subs 中，將 dep 記錄到 watcher.deps 中 —— 依賴關係建立了！

然後來看建立的依賴關係是如何使用的。

資料變更同步

繼續前面的例子，執行如下程式碼時：

vm.name = 'tang'
複製程式碼

會觸發通過 defineReactive() 配置的 set 方法，如果資料改變，那麼：

// defineReactive() -> set()
dep.notify()
複製程式碼

通過 dep 物件來通知所有的依賴方法，於是 dep 遍歷內部的 subs 執行：

// dep.notify()
watcher.update()
複製程式碼

這樣 watcher 就被通知到了，知道了資料改變，從而繼續後續的處理。這裡先不展開。

到這裡，基本就搞清楚響應式的基本機制了，整理一下：

• 通過 Object.defineProperty() 替換配置物件屬性的 set、get 方法，實現“攔截”
• watcher 在執行 getter 函式時觸發資料的 get 方法，從而建立依賴關係
• 寫入資料時觸發 set 方法，從而藉助 dep 釋出通知，進而 watcher 進行更新

這樣再看 Vue 官方的圖就比較好理解了：

圖片來源：vuejs.org/v2/guide/re… 上圖中左側是以元件渲染（render）作為 getter 函式來演示響應式過程的，這其實就是 RenderWatcher 這種特殊型別 watcher 的作用機制，後面還會再講。

計算屬性

本文前面提到過計算屬性，在 Vue 中也是作為 watcher 進行處理的。計算屬性（ComputedWatcher）特殊的地方在於，它其實沒有 cb（空函式），只有 getter，並且它的值只在被使用時才計算並快取。

什麼意思呢？

首先，ComputedWatcher 在建立時，不會立即執行 getter（lazy 選項值為 false），這樣一開始 ComputedWatcher 並沒有和使用到的資料建立依賴關係。

計算屬性在被“get”時，首先執行預先定義的 ComputedGetter 函式，這裡有一段特殊邏輯：

instance/state.js#L238

function computedGetter () {
  if (watcher.dirty) {
    watcher.evaluate()
  }
  if (Dep.target) {
    watcher.depend()
  }
  return watcher.value
}
複製程式碼

首先判斷 watcher 是不是 dirty 狀態，什麼意思呢？

計算屬性對應的 watcher 初始建立的時候，並沒有執行 getter，這個時候就會設定 dirty 為 true，這樣當前獲取計算屬性的值的時候，會執行 getter 得到 value，然後標記 dirty 為 false。這樣後續再獲取計算屬性的值，不需要再計算（執行 getter），直接就能返回快取的 value。

另外，計算屬性的 watcher 在執行 watcher.evaluate() 是，進一步呼叫 watcher.get()，從而進行依賴收集。而依賴的資料在改變後，會通知計算屬性的 watcher，但是 watcher 只是標記自身為 dirty，而不計算。這樣的好處是可以減小開銷，只在有地方需要計算屬性的值時才執行計算。

如果依賴的資料發生變更，計算屬性只是標記 dirty 為 true，會不會有問題呢？

解決這個問題的是上面程式碼的這一部分：

if (Dep.target) {
  watcher.depend()
}
複製程式碼

也就是說，如果當前有在收集依賴的 watcher，那麼當前計算屬性的 watcher 會間接地通過 watcher.depend() 將依賴關係“繼承”給這個 watcher（watcher.depend() 內部是對每個 watcher.deps 記錄的 dep 執行 dep.depend() 從而讓依賴資料與當前的 watcher 建立依賴關係）。

所以，依賴資料改變，依賴計算屬性的 watcher 會直接得到通知，再來獲取計算屬性的值的時候，計算屬性才進行計算求值。

所以，依賴計算屬性的 watcher 可以視為依賴 watcher 的 watcher。這樣的 watcher 在 Vue 中最常見不過，那就是 RenderWatcher。

RenderWatcher 及非同步更新

相信讀過前文，你應該對 Vue 響應式原理有基本的認識。那麼 Vue 是如何將其運用到檢視更新中的呢？答案就是這裡要講的 RenderWatcher。

RenderWatcher 首先是 watcher，只不過和計算屬性對應的 ComputedWatcher 類似，它也有些特殊的行為。

RenderWatcher 的建立，在函式 mountComponent 中：

// Vue.prototype.$mount() -> mountComponent()
let updateComponent = () => {
  vm._update(vm._render(), hydrating)
}
new Watcher(vm, updateComponent, noop, null, true /* isRenderWatcher */)
複製程式碼

核心程式碼就在這裡了。這個 watcher 就是 Vue 例項物件唯一的 RenderWatcher，在 watcher 建構函式中，會記錄到 vm._watcher 上（普通 watcher 只會記錄到 vm._watchers 陣列中）。

這個 watcher 也會在建立的最後執行 watcher.get()，也就是執行 getter 收集依賴的過程。而在這裡，getter 就是 updateComponent，也就是說，執行了渲染+更新 DOM！並且，這個過程中使用到的資料也被收集了依賴關係。

那麼，理所當然地，在 render() 中使用到資料，發生改變，自然會通知到 RenderWatcher，從而最終更新檢視！

不過，這裡會有個疑問：如果進行多次資料修改，那麼豈不是要頻繁執行 DOM 更新？

這裡就涉及到 RenderWatcher 的特殊功能了：非同步更新。

結合前面內容，我們知道資料更新後，依賴該資料的 watcher 會執行 watcher.update()，這個在前文中沒有展開，現在我們來看下這個方法：

observer/watcher.js#L161

if (this.lazy) {
  this.dirty = true
} else if (this.sync) {
  this.run()
} else {
  queueWatcher(this)
}
複製程式碼

第一種情況，lazy 為 true，也就是計算屬性，上一節已經提到過，只是標記 dirty 為 true，並不立即計算，不再贅述。sync 為 true 的情況，這裡也不管，不過看起來也很簡單，就是立即執行計算嘛。

最後的情況，就是這裡 RenderWatcher 的場景，並不立即執行，也不是像計算屬性那樣標記為 dirty 就完了，而是放到了一個佇列中。

這個佇列是幹什麼的呢？

相關程式碼在 observer/scheduler.js 中，簡單來說，就是實現了非同步更新。

理解其實現，首先要對瀏覽器的事件迴圈（Event Loop）機制有一定了解。如果你對事件迴圈機制不是很瞭解，可以看下面這篇文章：

JavaScript 執行機制詳解：再談Event Loop - 阮一峰

事件迴圈機制其實有點複雜，但只有理解事件迴圈，才能對這裡 Vue 非同步更新的方案有深入的認識。

基於事件迴圈機制，RenderWatcher 將其 getter，也就是 updateComponent 函式非同步執行，並且，多次觸發 RenderWatcher 的 update()，最終也只會執行一次 updateComponent，這樣也就解決了效能問題。

不過，隨之而來的新問題是，修改完資料，不能直接反應到 DOM 上，而是要等非同步更新執行過後才可以，這也是為什麼 Vue 提供了 nextTick() 介面，並且要求開發者將對 DOM 的操作放到 nextTick() 回撥中執行的原因。

Vuex、Vue-Router

再來看 Vue 套裝中的 Vuex、Vue-Router，它們也是基於 Vue 的響應式機制實現功能。

先來看 Vuex，程式碼版本 v3.0.1。

Vuex

在應用了 Vuex 的應用中，所有元件都可以通過 this.$store 來引用到全域性的 store，並且在使用了 store 的資料後，還能在資料改變後得到同步，這其實就是響應式的應用了。

首先看 this.$store 的實現，這個其實是通過全域性 mixin 實現，程式碼在：

src/mixin.js#L26

this.$store = options.store || options.parent.$store
複製程式碼

這樣在每個元件的 beforeCreate 時，會執行 $store 屬性的初始化。

而 store 資料的響應式處理，則是通過例項化一個 Vue 物件實現：

src/store.js#L251

// new Store() -> resetStoreVM()
store._vm = new Vue({
  data: {
    $$state: state
  },
  computed // 對應 store.getters
})
複製程式碼

結合前文的介紹，這裡就很好理解了。因為 state 以及處理為響應式資料，而 getters 也建立為計算屬性，所以對這些資料的使用，就建立依賴關係，從而可以響應資料改變了。

Vue-Router

Vue-Router 中，比較重要的資料是 $route，即當前的頁面路由資料，在路由改變的時候，需要替換展示不同元件（router-view 元件實現）。

vm.$route 實踐上是來自 Vue.prototype，但其對應的值，最終對應到的是 router.history.current。

結合前面的分析，這裡的 history.current 肯定得是響應式資料，所以，來找下對其進行初始化的地方，其實是在全域性 mixin 的 beforeCreate 這裡：

v2.8.1/src/install.js#L27

// beforeCreate
Vue.util.defineReactive(this, '_route', this._router.history.current)
複製程式碼

這樣 this._route 就是響應式的了，那麼如果頁面路由改變，又是如何修改這裡的 _route 的呢？

答案在 VueRouter 的 init() 這裡：

history.listen(route => {
  this.apps.forEach((app) => {
    app._route = route
  })
})
複製程式碼

一個 router 物件可能和多個 vue 例項物件（這裡叫作 app）關聯，每次路由改變會通知所有的例項物件。

再來看使用 vm.$route 的地方，也就是 VueRouter 的兩個元件：

兩個元件都是在 render() 中，與 $route 建立了依賴關係，根據 route 的值進行渲染。這裡具體過程就不展開了，感興趣可以看下相關原始碼（v2.8.1/src/components），原理方面在 RenderWatcher 一節已經介紹過。

實踐：watch-it

瞭解了以上這麼多，也想自己試試，把 Vue 響應式相關的核心邏輯剝離出來，做一個單純的資料響應式的庫。由於只關注資料，所以在剝離過程中，將與 Vue 元件/例項物件相關的部分都移除了，包括 watcher.vm 也不再需要，這樣 watcher.getter 計算時不再指定上下文物件。

感興趣，想直接看程式碼的，可以前往 luobotang/watch-it。

watch-it 只包括資料響應式相關的功能，暴露了4個介面：

• defineReactive(obj, key, val)：為物件配置一個響應式資料屬性
• observe(obj)：將一個資料物件配置為響應式，內部對所有的屬性執行 defineReactive
• defineComputed(target, key, userDef)：為物件配置一個計算屬性，內部建立了 watcher
• watch(fn, cb, options)：監聽求值函式中資料改變，變化時呼叫 cb，內部建立了 watcher

來看一個使用示例：

const { observe, watch } = require('@luobotang/watch-it')

const data = {
  name: 'luobo',
  age: 18
}

observe(data)

const userInfo = function() {
  return data.name + ' - ' + data.age
}

watch(userInfo, (value) => console.log(value))
複製程式碼

這樣，當資料修改時，通過會列印出新的 userInfo 的值。

去除虛擬 DOM，只通過響應式機制，我還構建了一個簡單的 Vue，並實現了一個 DEMO：

watch-it/example/

原始碼在這裡：

luobotang/watch-it/example/vue.js

總結

OK，以上就是有關 Vue 響應式原理的全部了，當然，只是我的理解和實踐。

在梳理和寫下這些內容的過程中，我收穫很多，也希望內容能夠對你有所幫助。

水平有限，錯漏難免，歡迎指出。

最後，感謝閱讀！