Vue渲染器中的DOM操作批处理：利用调度器减少回流（Reflow）与重绘（Repaint）

Vue 渲染器中的 DOM 操作批处理：利用调度器减少回流与重绘

大家好，今天我们来深入探讨 Vue 渲染器中一个至关重要的优化策略：DOM 操作的批处理，以及如何利用调度器来减少回流（Reflow）和重绘（Repaint）。理解并掌握这项技术，对于提升 Vue 应用的性能至关重要。

1. 为什么我们需要批处理 DOM 操作？

在深入了解 Vue 的具体实现之前，我们首先需要理解为什么频繁的 DOM 操作会成为性能瓶颈。这与浏览器渲染引擎的工作方式密切相关。

浏览器渲染引擎主要负责将 HTML、CSS 和 JavaScript 代码转换成用户可见的图像。这个过程大致可以分为以下几个步骤：

1. 解析 HTML 构建 DOM 树： 浏览器解析 HTML 代码，并将其组织成一个树形结构，即 DOM 树。

2. 解析 CSS 构建 CSSOM 树： 浏览器解析 CSS 代码，构建 CSS 对象模型 (CSSOM) 树。

3. 渲染树的构建： 将 DOM 树和 CSSOM 树合并，生成渲染树（Render Tree）。渲染树只包含需要显示的节点，例如 display: none 的元素不会出现在渲染树中。

4. 布局（Layout）： 计算渲染树中每个节点的位置和大小。这个过程也被称为回流（Reflow）或重排（Relayout）。

5. 绘制（Paint）： 遍历渲染树，调用 GPU 绘制每个节点。这个过程被称为重绘（Repaint）。

回流（Reflow）与重绘（Repaint）的代价：

• 回流（Reflow）： 当 DOM 结构发生改变，或者元素的尺寸、位置等几何属性发生改变时，浏览器需要重新计算整个渲染树，这会导致回流。回流是一个成本非常高的操作，因为它会触发后续的重绘。

• 重绘（Repaint）： 当元素的样式发生改变，但不影响其几何属性时（例如，改变颜色、背景色等），浏览器只需要重新绘制受影响的部分。重绘的成本相对较低，但仍然会消耗资源。

频繁 DOM 操作的问题：

如果我们直接在 JavaScript 代码中频繁地修改 DOM，例如在一个循环中多次修改元素的样式或属性，那么每次修改都可能触发回流和重绘，这会导致浏览器频繁地执行渲染流程，严重影响性能。

举例说明：

<div id="my-element" style="width: 100px; height: 100px; background-color: red;"></div>

const element = document.getElementById('my-element');

// 糟糕的做法：频繁的 DOM 操作
for (let i = 0; i < 100; i++) {
  element.style.width = (100 + i) + 'px'; // 每次循环都会触发回流和重绘
  element.style.height = (100 + i) + 'px'; // 每次循环都会触发回流和重绘
}

上面的代码在一个循环中多次修改元素的宽度和高度，每次修改都会触发回流和重绘，造成性能问题。

解决方案：批处理 DOM 操作

为了解决这个问题，我们需要将多次 DOM 操作合并成一次执行，从而减少回流和重绘的次数。这就是 DOM 操作批处理的意义。

2. Vue 如何进行 DOM 操作批处理？

Vue 通过一个巧妙的调度器（Scheduler）机制来实现 DOM 操作的批处理。调度器的核心思想是：将多个需要执行的 DOM 更新任务放入一个队列中，然后在下一个事件循环（Event Loop）中一次性执行这些任务。

事件循环（Event Loop）简述：

JavaScript 是一种单线程语言，这意味着它一次只能执行一个任务。为了处理异步操作，JavaScript 使用事件循环机制。

事件循环不断地从任务队列中取出任务并执行。任务队列包含两种类型的任务：

• 宏任务（Macro Task）： 例如 script 整体代码、setTimeout、setInterval、I/O、UI rendering。

• 微任务（Micro Task）： 例如 Promise.then、async/await、MutationObserver。

事件循环的执行顺序是：

1. 执行一个宏任务。
2. 检查是否存在微任务队列，如果有，则依次执行所有微任务。
3. 更新渲染（UI Rendering）。
4. 重复以上步骤。

Vue 调度器的工作原理：

1. 依赖收集： 当 Vue 组件的数据发生改变时，Vue 会通知所有依赖于该数据的 Watcher 对象。

2. Watcher 入队： 每个 Watcher 对象都有一个 update() 方法，该方法会将更新任务放入调度器队列中。如果 Watcher 已经被加入队列，则会被忽略，避免重复入队。

3. 调度执行： 在下一个事件循环中，调度器会从队列中取出所有更新任务，并执行它们。

4. DOM 更新： 更新任务会修改虚拟 DOM（Virtual DOM），然后 Vue 会将新的虚拟 DOM 与旧的虚拟 DOM 进行比较（Diff 算法），找出需要更新的 DOM 节点，并将这些更新批量应用到实际 DOM 上。

代码示例（简化版）：

// 假设的 Watcher 类
class Watcher {
  constructor(vm, expOrFn, cb) {
    this.vm = vm;
    this.expOrFn = expOrFn;
    this.cb = cb;
    this.id = uid++; // 唯一 ID
    this.dirty = true; // 标记是否需要更新
    this.deps = []; // 依赖的 Dep 实例
    this.depIds = new Set(); // 依赖的 Dep 实例的 ID
  }

  update() {
    if (!queue.has(this.id)) {
        queue.add(this.id);
        queueList.push(this); // 将 Watcher 加入调度队列
        nextTick(flushSchedulerQueue); // 在 nextTick 中执行刷新队列的操作
    }
  }

  run() {
    const value = this.get(); // 获取最新的值
    if (value !== this.value) {
      const oldValue = this.value;
      this.value = value;
      this.cb.call(this.vm, value, oldValue); // 执行回调函数
    }
  }

  get() {
    // 模拟依赖收集
    Dep.target = this;
    const value = this.expOrFn.call(this.vm, this.vm); // 获取表达式的值
    Dep.target = null;
    return value;
  }
}

// 调度器队列
const queue = new Set();
const queueList = [];
let uid = 0;

// 刷新调度器队列
function flushSchedulerQueue() {
  // 对队列进行排序，确保父组件的更新先于子组件
  queueList.sort((a, b) => a.id - b.id);

  // 遍历队列，执行 Watcher 的 run 方法
  for (let i = 0; i < queueList.length; i++) {
    const watcher = queueList[i];
    watcher.run();
  }

  // 清空队列
  queue.clear();
  queueList.length = 0;
}

// nextTick 函数
let callbacks = [];
let pending = false;

function flushCallbacks() {
  pending = false;
  const copies = callbacks.slice(0);
  callbacks = [];
  for (let i = 0; i < copies.length; i++) {
    copies[i]();
  }
}

let timerFunc;

if (typeof Promise !== 'undefined') {
  timerFunc = () => {
    Promise.resolve().then(flushCallbacks);
  };
} else if (typeof MutationObserver !== 'undefined') {
  let counter = 1;
  const observer = new MutationObserver(flushCallbacks);
  const textNode = document.createTextNode(String(counter));
  observer.observe(document.documentElement, {
    characterData: true,
    subtree: true,
  });
  timerFunc = () => {
    counter = (counter + 1) % 2;
    textNode.data = String(counter);
  };
} else if (typeof setImmediate !== 'undefined') {
  timerFunc = () => {
    setImmediate(flushCallbacks);
  };
} else {
  timerFunc = () => {
    setTimeout(flushCallbacks, 0);
  };
}

function nextTick(cb) {
  callbacks.push(cb);
  if (!pending) {
    pending = true;
    timerFunc();
  }
}

// 示例用法
const vm = {
  message: 'Hello',
  count: 0
};

const watcher1 = new Watcher(vm, () => vm.message, (newValue, oldValue) => {
  console.log('message changed:', newValue, oldValue);
});

const watcher2 = new Watcher(vm, () => vm.count, (newValue, oldValue) => {
  console.log('count changed:', newValue, oldValue);
});

vm.message = 'World';
vm.count = 1;
vm.count = 2;
vm.count = 3;

// 模拟数据更新，触发 Watcher 的 update 方法
watcher1.update();
watcher2.update();
watcher2.update();
watcher2.update();

// 在下一个事件循环中，所有 Watcher 的 run 方法会被执行，DOM 更新也会批量进行

代码解释：

• Watcher 类： 负责监听数据的变化，并在数据变化时执行回调函数。update() 方法将 Watcher 加入调度队列。

• 调度器队列： queue 和 queueList 用于存储需要执行的 Watcher。使用 Set 去重，使用 Array 保证执行顺序。

• flushSchedulerQueue() 函数： 负责从队列中取出所有 Watcher，并执行它们的 run() 方法。这个函数在 nextTick() 中被调用，确保在下一个事件循环中执行。

• nextTick() 函数： 使用 Promise、MutationObserver、setImmediate 或 setTimeout 等技术，将 flushCallbacks() 函数推迟到下一个事件循环中执行。

nextTick() 的重要性：

nextTick() 函数是 Vue 调度器中至关重要的一环。它确保 DOM 更新操作在当前事件循环结束后执行，从而将多个 DOM 操作合并成一次执行。Vue 内部使用 nextTick() 来延迟更新，允许同步代码执行完毕，收集所有的 DOM 更新，然后一次性应用到页面上。

nextTick() 的实现：

Vue 的 nextTick() 函数会根据当前环境选择最佳的异步更新策略：

• Promise： 如果浏览器支持 Promise，则使用 Promise.resolve().then() 来实现异步更新。

• MutationObserver： 如果浏览器支持 MutationObserver，则使用 MutationObserver 来监听 DOM 的变化，并在 DOM 变化时执行更新。MutationObserver 的优先级高于 setTimeout，因为它是在微任务队列中执行的，而 setTimeout 是在宏任务队列中执行的。

• setImmediate： 如果浏览器支持 setImmediate，则使用 setImmediate 来实现异步更新。setImmediate 是 Node.js 环境下的 API，用于将回调函数推迟到下一个事件循环中执行。

• setTimeout： 如果以上方法都不支持，则使用 setTimeout(fn, 0) 来模拟异步更新。setTimeout 的优先级最低，因为它是在宏任务队列中执行的。

为什么需要对队列进行排序？

在 flushSchedulerQueue 函数中，我们对队列进行了排序：

queueList.sort((a, b) => a.id - b.id);

这个排序是为了确保父组件的更新先于子组件。这是因为在 Vue 中，组件的渲染顺序是从父组件到子组件的。如果子组件的更新先于父组件，可能会导致一些问题，例如子组件依赖于父组件的数据，但父组件的数据还没有更新，导致子组件渲染出错。

3. 虚拟 DOM（Virtual DOM）与 Diff 算法

Vue 使用虚拟 DOM 和 Diff 算法来高效地更新 DOM。

虚拟 DOM：

虚拟 DOM 是一个轻量级的 JavaScript 对象，用于描述真实的 DOM 结构。当 Vue 组件的数据发生改变时，Vue 会先更新虚拟 DOM，然后将新的虚拟 DOM 与旧的虚拟 DOM 进行比较。

Diff 算法：

Diff 算法用于找出新旧虚拟 DOM 之间的差异。Vue 使用了一种优化的 Diff 算法，可以快速地找出需要更新的 DOM 节点，并将这些更新批量应用到实际 DOM 上。Diff 算法的主要策略包括：

• 同层比较： 只比较同一层级的节点。

• Key 的作用： 使用 key 来标识节点，可以帮助 Diff 算法更准确地判断节点是否需要更新。

• 优化策略： 使用了一些优化策略，例如移动节点、删除节点、添加节点等，以减少 DOM 操作的次数。

虚拟 DOM 和 Diff 算法的优势：

• 减少 DOM 操作： 通过虚拟 DOM 和 Diff 算法，Vue 可以只更新需要更新的 DOM 节点，从而减少 DOM 操作的次数。

• 提高性能： 虚拟 DOM 和 Diff 算法可以有效地提高 Vue 应用的性能，特别是在处理大量数据更新时。

4. 如何编写更高效的 Vue 代码，减少回流和重绘？

除了 Vue 提供的 DOM 操作批处理机制外，我们还可以通过编写更高效的 Vue 代码来进一步减少回流和重绘：

• 避免频繁修改 DOM： 尽量避免在循环中频繁地修改 DOM。可以将多次 DOM 操作合并成一次执行。

• 使用 v-show 代替 v-if： 如果只是控制元素的显示与隐藏，可以使用 v-show 代替 v-if。v-show 只是简单地修改元素的 display 属性，不会导致 DOM 结构的改变，因此不会触发回流。v-if 会完全销毁和重建 DOM 节点，因此会触发回流。

• 避免使用 table 布局： table 布局的渲染速度较慢，容易触发回流。尽量使用 CSS Flexbox 或 Grid 布局。

• 使用 CSS Transforms 和 Opacity： 使用 CSS Transforms 和 Opacity 来实现动画效果，可以避免触发回流。Transforms 和 Opacity 不会影响元素的几何属性，因此不会触发回流，只会触发重绘。

• 避免读取布局信息： 避免在修改 DOM 之后立即读取布局信息（例如 offsetWidth、offsetHeight、offsetTop、offsetLeft 等）。读取布局信息会导致浏览器强制执行回流，以确保返回的值是最新的。

• 使用文档碎片（DocumentFragment）： 可以使用文档碎片来批量添加 DOM 节点，减少 DOM 操作的次数。

代码示例：

<template>
  <div>
    <!-- 使用 v-show 代替 v-if -->
    <div v-show="isVisible">This element is visible.</div>

    <!-- 使用 CSS Transforms 和 Opacity 实现动画 -->
    <div class="animated-element">This element is animated.</div>
  </div>
</template>

<script>
export default {
  data() {
    return {
      isVisible: true,
    };
  },
};
</script>

<style scoped>
.animated-element {
  width: 100px;
  height: 100px;
  background-color: blue;
  transition: transform 0.3s ease-in-out;
}

.animated-element:hover {
  transform: translateX(50px);
}
</style>

5. 开发者工具的使用

现代浏览器都提供了强大的开发者工具，可以帮助我们分析和优化性能。我们可以使用开发者工具来：

• 查看回流和重绘： 开发者工具可以显示页面中发生的回流和重绘的次数，帮助我们找出性能瓶颈。

• 分析性能瓶颈： 开发者工具可以分析 JavaScript 代码的执行时间，找出耗时操作，并进行优化。

• 使用 Performance 面板： Chrome 开发者工具的 Performance 面板可以详细地记录页面的性能数据，包括 CPU 使用率、内存使用率、帧率等。

表格总结：

优化策略	描述	优点	缺点
DOM 操作批处理	将多个 DOM 操作合并成一次执行，减少回流和重绘的次数。	显著提升性能，尤其是在处理大量数据更新时。	需要理解 Vue 的调度器机制。
使用 v-show 代替 v-if	如果只是控制元素的显示与隐藏，可以使用 v-show 代替 v-if。	避免 DOM 结构的改变，减少回流。	元素始终存在于 DOM 中，可能会占用一些资源。
使用 CSS Transforms 和 Opacity	使用 CSS Transforms 和 Opacity 来实现动画效果。	避免触发回流，只触发重绘。	可能需要一些 CSS 技巧。
避免读取布局信息	避免在修改 DOM 之后立即读取布局信息。	避免浏览器强制执行回流。	需要注意代码的编写顺序。
使用文档碎片	可以使用文档碎片来批量添加 DOM 节点。	减少 DOM 操作的次数。	需要一些额外的代码。

关键点回顾

Vue 渲染器通过调度器机制实现了 DOM 操作的批处理，有效地减少了回流和重绘。理解 Vue 调度器的工作原理，以及如何编写更高效的 Vue 代码，对于提升 Vue 应用的性能至关重要。虚拟 DOM 和 Diff 算法是 Vue 高效更新 DOM 的基石。

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