Vue中diff演算法的理解

WindrunnerMax發表於2020-08-09
Vue演算法

Vue中diff演算法的理解

diff演算法用來計算出Virtual DOM中改變的部分，然後針對該部分進行DOM操作，而不用重新渲染整個頁面，渲染整個DOM結構的過程中開銷是很大的，需要瀏覽器對DOM結構進行重繪與迴流，而diff演算法能夠使得操作過程中只更新修改的那部分DOM結構而不更新整個DOM，這樣能夠最小化操作DOM結構，能夠最大程度上減少瀏覽器重繪與迴流的規模。

虛擬DOM

diff演算法的基礎是Virtual DOM，Virtual DOM是一棵以JavaScript物件作為基礎的樹，每一個節點稱為VNode，用物件屬性來描述節點，實際上它是一層對真實DOM的抽象，最終可以通過渲染操作使這棵樹對映到真實環境上，簡單來說Virtual DOM就是一個Js物件，用以描述整個文件。
在瀏覽器中構建頁面時需要使用DOM節點描述整個文件。

<div class="root" name="root">
    <p>1</p>
    <div>11</div>
</div>

如果使用Js物件去描述上述的節點以及文件，那麼便類似於下面的樣子，當然這不是Vue中用以描述節點的物件，Vue中用以描述一個節點的物件包括大量屬性，例如tag、data、children、text、elm、ns、context、key、componentOptions、componentInstance、parent、raw、isStatic、isRootInsert、isComment、isCloned等等，具體的屬性可以參閱Vue原始碼的/dev/src/core/vdom/vnode.js。

{
    type: "tag",
    tagName: "div",
    attr: {
        className: "root"
        name: "root"
    },
    parent: null,
    children: [{
        type: "tag",
        tagName: "p",
        attr: {},
        parent: {} /* 父節點的引用 */, 
        children: [{
            type: "text",
            tagName: "text",
            parent: {} /* 父節點的引用 */, 
            content: "1"
        }]
    },{
        type: "tag",
        tagName: "div",
        attr: {},
        parent: {} /* 父節點的引用 */, 
        children: [{
            type: "text",
            tagName: "text",
            parent: {} /* 父節點的引用 */, 
            content: "11"
        }]
    }]
}

當選用diff演算法進行部分更新的時候就需要比較舊DOM結構與新DOM結構的不同，此時就需要VNode來描述整個DOM結構，首先根據真實DOM生成Virtual DOM，當Virtual DOM某個節點的資料改變後會生成一個新的Vnode，然後通過newVNode和oldVNode進行對比，發現有不同之處便通過在VNode中elm屬性相對應的真實DOM節點進行patch修改於真實DOM，然後使舊的Virtual DOM賦值為新的Virtual DOM。

diff演算法

當資料發生改變時，set方法會讓呼叫Dep.notify通知所有訂閱者Watcher資料發生更新，訂閱者就會呼叫patch進行比較，然後將相應的部分渲染到真實DOM結構。

時間複雜度

首先進行一次完整的diff需要O(n^3)的時間複雜度，這是一個最小編輯距離的問題，在比較字串的最小編輯距離時使用動態規劃的方案需要的時間複雜度是O(mn)，但是對於DOM來說是一個樹形結構，而樹形結構的最小編輯距離問題的時間複雜度在30多年的演進中從O(m^3n^3)演進到了O(n^3)，關於這個問題如果有興趣的話可以研究一下論文https://grfia.dlsi.ua.es/ml/algorithms/references/editsurvey_bille.pdf。
對於原本想要提高效率而引入的diff演算法使用O(n^3)的時間複雜度顯然是不太合適的，如果有1000個節點元素將需要進行十億次比較，這是一個昂貴的演算法，所以必須有一些妥協來加快速度，對比較通過一些策略進行簡化，將時間複雜度縮小到O(n)，雖然並不是最小編輯距離，但是作為編輯距離與時間效能的折中是一個比較好的解決方案。

diff策略

上邊提到的O(n)時間複雜度是通過一定策略進行的，React中提到了兩個假設，在Vue中同樣適用：

  • 兩個不同型別的元素將產生不同的樹。
  • 通過渲染器附帶key屬性，開發者可以示意哪些子元素可能是穩定的。

通俗點說就是：

  • 只進行統一層級的比較，如果跨層級的移動則視為建立和刪除操作。
  • 如果是不同型別的元素，則認為是建立了新的元素，而不會遞迴比較他們的孩子。
  • 如果是列表元素等比較相似的內容，可以通過key來唯一確定是移動還是建立或刪除操作。

比較後會出現幾種情況，然後進行相應的操作：

  • 此節點被新增或移除->新增或移除新的節點。
  • 屬性被改變->舊屬性改為新屬性。
  • 文字內容被改變->舊內容改為新內容。
  • 節點tag或key是否改變->改變則移除後建立新元素。

分析

實現diff演算法的部分在Vue原始碼中的dev/src/core/vdom/patch.js檔案中，不過Vue原始碼的實現比較複雜，文章分析比較核心的程式碼部分，精簡過後的最小化版本，commit id為43b98fe。
在呼叫patch方法時，會判斷是否是VNode，isRealElement其實就是根據有沒有nodeType來判斷是不是真實DOM，VNode是不存在這個欄位的，如果不是真實DOM元素，並且這兩個節點是相同的，那就就會進入這個if內部，呼叫patchVnode對children進行diff以決定該如何更新。

// line 714
const isRealElement = isDef(oldVnode.nodeType)
if (!isRealElement && sameVnode(oldVnode, vnode)) {
    // patch existing root node
    patchVnode(oldVnode, vnode, insertedVnodeQueue, null, null, removeOnly)
}else{
    // ...
}

接下來看一下sameVnode方法，判斷如何算是相同節點。

// line 35
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)
      ) || (
        isTrue(a.isAsyncPlaceholder) &&
        a.asyncFactory === b.asyncFactory &&
        isUndef(b.asyncFactory.error)
      )
    )
  )
}

這裡的判斷條件其實主要是兩個：

  • key必須相同，如果都是undefined則也是相同的。
  • DOM元素的標籤必須相同。

如果滿足以上條件，那麼就認為是相同的VNode，因此就可以進行patchVnode操作，如果不是就認為是完全新的一個VNode，就會在上邊的判斷後執行下面的createElm。
梳理一下邏輯，當進入patch之後有兩種分支可以走，如果是第一次patch，即元件第一次掛載的時候，或者發現元素的標籤不相同了，那麼就認為是不同的元素，直接進行createElm 建立新的DOM元素進行替換，否則，就是對已存在的DOM元素進行更新，那麼通過patchVnode進行diff，有條件的更新以提升效能，這樣其實就實現了策略中原則的第一條，即兩個不同型別的元素將產生不同的樹，只要發現兩個元素的型別不同，我們直接刪除舊的並建立一個新的，而不是去遞迴比較。
在認為這是兩個相同的VNode之後，就需要比較並更新當前元素的差異，以及遞迴比較children，在patchVnode方法中實現了這兩部分。

// line 501
function patchVnode (oldVnode, vnode, insertedVnodeQueue, removeOnly) {
    // ...
    if (isDef(data) && isPatchable(vnode)) {
      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)
    }
    //...
}

cbs.update主要是用來更新attributes的，這裡的cbs其實是從hooks中來的，hooks在33行有如下定義，const hooks = ['create', 'activate', 'update', 'remove', 'destroy']，其是在VNode更新的各個階段進行相應的操作，這裡cbs.update包含如下幾個回撥：updateAttributes、updateClass、updateDOMListeners、updateDOMProps、updateStyle、update、updateDirectives，其主要都是更新當前結點的一些相關attributes。
之後需要更新孩子節點，這時候分兩種情況：

  • 如果孩子不是textNode，那麼需要再分三種情況處理。
  • 如果當前孩子是textNode那麼直接更新text即可。

對孩子是VNode的三種情況：

  • 有新孩子無舊孩子，直接建立新的。
  • 有舊孩子無新孩子，直接刪除舊的。
  • 新舊孩子都有，那麼呼叫updateChildren。
if (isUndef(vnode.text)) {
  if (isDef(oldCh) && isDef(ch)) {
    if (oldCh !== ch) updateChildren(elm, oldCh, ch, insertedVnodeQueue, removeOnly)
  } else if (isDef(ch)) {
    if (process.env.NODE_ENV !== 'production') {
      checkDuplicateKeys(ch)
    }
    if (isDef(oldVnode.text)) nodeOps.setTextContent(elm, '')
    addVnodes(elm, null, ch, 0, ch.length - 1, insertedVnodeQueue)
  } else if (isDef(oldCh)) {
    removeVnodes(oldCh, 0, oldCh.length - 1)
  } else if (isDef(oldVnode.text)) {
    nodeOps.setTextContent(elm, '')
  }
} else if (oldVnode.text !== vnode.text) {
  nodeOps.setTextContent(elm, vnode.text)
}

當新舊孩子都存在，那麼便呼叫updateChildren方法，對於每一個孩子節點，我們依然有這麼幾種可能：

  • 更新了節點
  • 刪除了節點
  • 增加了節點
  • 移動了節點

updateChildren是diff的核心演算法，原始碼實現如下。

// line 404
function updateChildren (parentElm, oldCh, newCh, insertedVnodeQueue, removeOnly) {
    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, vnodeToMove, refElm
    
    // removeOnly is a special flag used only by <transition-group>
    // to ensure removed elements stay in correct relative positions
    // during leaving transitions
    const canMove = !removeOnly
    
    if (process.env.NODE_ENV !== 'production') {
      checkDuplicateKeys(newCh)
    }
    
    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, newCh, newStartIdx)
        oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
        newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
      } else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
        patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue, newCh, newEndIdx)
        oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
        newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
      } else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) { // Vnode moved right
        patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue, newCh, newEndIdx)
        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, newCh, newStartIdx)
        canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, oldEndVnode.elm, oldStartVnode.elm)
        oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
        newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
      } else {
        if (isUndef(oldKeyToIdx)) oldKeyToIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
        idxInOld = isDef(newStartVnode.key)
          ? oldKeyToIdx[newStartVnode.key]
          : findIdxInOld(newStartVnode, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
        if (isUndef(idxInOld)) { // New element
          createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm, false, newCh, newStartIdx)
        } else {
          vnodeToMove = oldCh[idxInOld]
          if (sameVnode(vnodeToMove, newStartVnode)) {
            patchVnode(vnodeToMove, newStartVnode, insertedVnodeQueue, newCh, newStartIdx)
            oldCh[idxInOld] = undefined
            canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, vnodeToMove.elm, oldStartVnode.elm)
          } else {
            // same key but different element. treat as new element
            createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm, false, newCh, newStartIdx)
          }
        }
        newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
      }
    }
    if (oldStartIdx > oldEndIdx) {
      refElm = isUndef(newCh[newEndIdx + 1]) ? null : newCh[newEndIdx + 1].elm
      addVnodes(parentElm, refElm, newCh, newStartIdx, newEndIdx, insertedVnodeQueue)
    } else if (newStartIdx > newEndIdx) {
      removeVnodes(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
    }
}

其對新舊兩個children陣列分別在首位各用了一個指標，總共四個指標，由於指標僅僅對陣列進行了一次遍歷，因此時間複雜度是O(n)，舉個簡單例子說明diff過程。

old VNode: a(oldStartIdx) b c d e f(oldEndIdx)
new VNode: b(newStartIdx) f g(newEndIdx)
DOM Node:  a b c d e f

首先指標相互比較，即四種對比，分別為oldStartIdx和newStartIdx、oldStartIdx和newEndIdx、oldEndIdx和newStartIdx、oldEndIdx和newEndIdx，如果沒有相等的則繼續。此時分為兩種情況，有key和無key，無key則直接建立新的DOM Node插入到a(oldStartIdx)之前，此處認為key存在，有key的話取newStartIdx的key值，到old VNode去找，記錄此時的oldKeyToIdx，隨即調整VNode，將b移動到a之前，然後找到old VNode中oldKeyToIdx對應的節點值設定為undefined，newStartIdx指標向中間靠攏，即++newStartIdx。

old VNode: a(oldStartIdx) undefined c d e f(oldEndIdx)
new VNode: b f(newStartIdx) g(newEndIdx)
DOM Node:  b a c d e f

迴圈繼續，此時對比oldStartIdx和newStartIdx、oldStartIdx和newEndIdx、oldEndIdx和newStartIdx、oldEndIdx和newEndIdx，發現newStartIdx與oldEndIdx相同，將DOM Node中的f進行移動調整到DOM Node中的a(oldStartIdx)之前，此時newStartIdx與oldEndIdx指標向中間靠攏，即++newStartIdx與--oldEndIdx。

old VNode: a(oldStartIdx) undefined c d e(oldEndIdx) f
new VNode: b f g(newStartIdx)(newEndIdx)
DOM Node:  b f a c d e

迴圈繼續，此時對比oldStartIdx和newStartIdx、oldStartIdx和newEndIdx、oldEndIdx和newStartIdx、oldEndIdx和newEndIdx，並沒有相同的情況，取newStartIdx的key值，到old VNode去找，沒有發現相同的值，則直接建立一個節點插入到DOM Node中的a(oldStartIdx)之前，newStartIdx指標向中間靠攏，即++newStartIdx。

old VNode: a(oldStartIdx) undefined c d e(oldEndIdx) f
new VNode: b f g(newEndIdx) (newStartIdx)
DOM Node:  b f g a c d e

此時迴圈結束，有兩個選擇：

  • 如果oldStartldx > oldEndldx，說明老節點遍歷完成了，新的節點比較多，所以多出 來的這些新節點，需要建立出來並新增到真實DOM Node後面。
  • 如果newStartldx >newEndldx，說明新節點遍歷完成了，老的節點比較多，所以多 出來的這些老節點，需要從真實DOM Node中刪除這些節點。

此時我們符合場景二，所以需要從真實DOM Node中刪除[oldStartldx，oldEndldx]區間 中的Node節點，根據上述內容，即需要刪除a c d e四個節點，至此diff完成。

old VNode: a(oldStartIdx) undefined c d e(oldEndIdx) f
new VNode: b f g(newEndIdx) (newStartIdx)
DOM Node:  b f g

diff完成之後便是將new VNode作為old VNode以便下次diff時使用，此外關於元件的diff，元件級別的diff演算法比較簡單，節點不相同就進行建立和替換，節點相同的話就會對其子節點進行更新，最後關於呼叫createElm來根據VNode建立真實的DOM元素，如果是一個元件，那麼 createComponent會返回true，因此不會進行接下來的操作，如果不是元件，會進行節點建立工作，並會遞迴對孩子建立節點。

每日一題

https://github.com/WindrunnerMax/EveryDay

參考

https://github.com/aooy/blog/issues/2
https://www.zhihu.com/question/66851503
https://juejin.im/post/6844903607913938951
https://juejin.im/post/6844903592483094535
https://reactjs.org/docs/reconciliation.html
https://www.cnblogs.com/lilicat/p/13448827.html
https://www.cnblogs.com/lilicat/p/13448915.html
https://github.com/lihongxun945/myblog/issues/33
https://www.cnblogs.com/xujiazheng/p/12101764.html
https://blog.csdn.net/dongcehao/article/details/106987886
https://blog.csdn.net/qq2276031/article/details/106407647
https://github.com/Advanced-Frontend/Daily-Interview-Question/issues/151
https://leetcode-cn.com/problems/edit-distance/solution/bian-ji-ju-chi-by-leetcode-solution/

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