Vue 3 VDOM Diff算法的理论复杂度与实际性能分析：超越O(N)的优化边界
大家好，今天我们要深入探讨Vue 3 VDOM Diff算法，剖析其理论复杂度，并结合实际性能表现，揭示其如何突破传统的O(N)复杂度瓶颈，实现高效的更新渲染。
1. VDOM与Diff算法基础
在深入Vue 3的Diff算法之前，我们先回顾一下VDOM（Virtual DOM）和Diff算法的基本概念。
-
VDOM（虚拟DOM）: VDOM本质上是一个轻量级的JavaScript对象，它代表了真实DOM的结构。当数据发生变化时，Vue首先更新VDOM，而不是直接操作真实DOM。这样做的好处是：
- 批量更新: 多次数据更改可以合并成一次DOM更新，减少浏览器重绘和重排次数。
- 跨平台: VDOM可以应用于不同的平台，例如Web、Native等。
- 可测试性: VDOM更容易进行单元测试，因为我们可以直接操作和断言VDOM结构。
-
Diff算法: Diff算法是VDOM的核心，它的作用是比较新旧VDOM树，找出差异（patches），然后将这些差异应用到真实DOM上。一个高效的Diff算法能够显著提升应用性能。
2. Vue 2的Diff算法：双端比较与O(N)复杂度
Vue 2采用了一种基于双端比较的Diff算法，其核心思想是从新旧VDOM树的头部和尾部同时进行比较，尽可能复用已有的DOM节点。
// Vue 2 Diff算法简化版
function patch(oldVNode, newVNode, container) {
if (!oldVNode) {
// 新增节点
addVNodes(container, null, newVNode, 0, newVNode.length - 1);
} else if (!newVNode) {
// 删除节点
removeVNodes(container, oldVNode, 0, oldVNode.length - 1);
} else if (sameVNode(oldVNode, newVNode)) {
// 节点相同，递归patch子节点
patchVNode(oldVNode, newVNode);
} else {
// 节点不同，替换
const oEl = oldVNode.el;
const parentEl = oEl.parentNode;
createElm(newVNode, parentEl, oEl);
removeVNodes(parentEl, oldVNode, 0, oldVNode.length - 1);
}
}
function patchVNode(oldVNode, newVNode) {
const el = newVNode.el = oldVNode.el;
// ... 省略属性更新等逻辑
let oldCh = oldVNode.children;
let newCh = newVNode.children;
if (!newCh) {
if (oldCh) {
removeVNodes(el, oldCh, 0, oldCh.length - 1);
}
} else if (!oldCh) {
addVNodes(el, null, newCh, 0, newCh.length - 1);
} else {
updateChildren(el, oldCh, newCh);
}
}
function updateChildren(parentElm, oldCh, newCh) {
let oldStartIdx = 0;
let newStartIdx = 0;
let oldEndIdx = oldCh.length - 1;
let newEndIdx = newCh.length - 1;
let oldStartVNode = oldCh[oldStartIdx];
let newStartVNode = newCh[newStartIdx];
let oldEndVNode = oldCh[oldEndIdx];
let newEndVNode = newCh[newEndIdx];
let keyToOldIdx, idxInOld, vnodeToMove, refElm;
while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {
if (!oldStartVNode) {
oldStartVNode = oldCh[++oldStartIdx]; // VNode已被处理
} else if (!oldEndVNode) {
oldEndVNode = oldCh[--oldEndIdx];
} else if (sameVNode(oldStartVNode, newStartVNode)) {
patchVNode(oldStartVNode, newStartVNode);
oldStartVNode = oldCh[++oldStartIdx];
newStartVNode = newCh[++newStartIdx];
} else if (sameVNode(oldEndVNode, newEndVNode)) {
patchVNode(oldEndVNode, newEndVNode);
oldEndVNode = oldCh[--oldEndIdx];
newEndVNode = newCh[--newEndIdx];
} else if (sameVNode(oldStartVNode, newEndVNode)) { // VNode moved right
patchVNode(oldStartVNode, newEndVNode);
parentElm.insertBefore(oldStartVNode.el, oldEndVNode.el.nextSibling);
oldStartVNode = oldCh[++oldStartIdx];
newEndVNode = newCh[--newEndIdx];
} else if (sameVNode(oldEndVNode, newStartVNode)) { // VNode moved left
patchVNode(oldEndVNode, newStartVNode);
parentElm.insertBefore(oldEndVNode.el, oldStartVNode.el);
oldEndVNode = oldCh[--oldEndIdx];
newStartVNode = newCh[++newStartIdx];
} else {
// 未找到相同节点，需要创建或移动
if (!keyToOldIdx) {
keyToOldIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx);
}
idxInOld = keyToOldIdx[newStartVNode.key];
if (!idxInOld) { // New element
createElm(newStartVNode, parentElm, oldStartVNode.el);
} else {
vnodeToMove = oldCh[idxInOld];
if (sameVNode(vnodeToMove, newStartVNode)) {
patchVNode(vnodeToMove, newStartVNode);
oldCh[idxInOld] = undefined;
parentElm.insertBefore(vnodeToMove.el, oldStartVNode.el);
} else {
// 两个VNode key相同但不是sameVNode，创建新的
createElm(newStartVNode, parentElm, oldStartVNode.el);
}
}
newStartVNode = newCh[++newStartIdx];
}
}
if (oldStartIdx > oldEndIdx) {
refElm = newCh[newEndIdx + 1] ? newCh[newEndIdx + 1].el : null;
addVNodes(parentElm, refElm, newCh, newStartIdx, newEndIdx);
} else if (newStartIdx > newEndIdx) {
removeVNodes(parentElm, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx);
}
}这段代码展示了Vue 2 Diff算法的核心逻辑，特别是updateChildren函数，它实现了双端比较。
理论复杂度分析：
在最坏的情况下，例如新旧VDOM树完全不同，或者大量的节点需要移动，Vue 2的Diff算法仍然需要遍历所有的节点，因此其时间复杂度为O(N)，其中N为节点数量。
Vue 2 Diff算法的优点：
- 对于头部或尾部插入、删除节点的情况，能够高效地复用已有节点。
- 实现相对简单，易于理解和维护。
Vue 2 Diff算法的局限性：
- 在节点乱序排列的情况下，需要进行大量的移动操作，性能会受到影响。
- 对于中间插入或删除节点的情况，效率较低。
- 在最坏情况下，时间复杂度为O(N)。
3. Vue 3的Diff算法：优化策略与超越O(N)的尝试
Vue 3对Diff算法进行了大幅优化，旨在提升性能，特别是在处理大型列表和复杂组件时。Vue 3 Diff 算法的核心思想可以概括为以下几点：
- 静态标记（Static Flags）： Vue 3在编译阶段会对模板进行静态分析，为每个节点添加静态标记。这些标记指示了节点是否是静态的，以及静态节点的哪些部分是静态的。在Diff过程中，Vue 3会跳过静态节点，从而减少比较的次数。这是Vue 3能够超越O(N)复杂度的关键。
- 最长递增子序列（Longest Increasing Subsequence，LIS）： 当新旧VDOM树的节点顺序发生变化时，Vue 3不再简单地进行移动操作，而是通过计算最长递增子序列来确定需要移动的节点，从而减少DOM操作。
- Key的使用： Vue 3仍然强烈建议为列表中的节点添加Key，Key能够帮助Diff算法更准确地识别节点，提高复用率。
- Block Tree: Vue 3引入了Block Tree的概念，将模板划分为一个个Block，每个Block内部的节点是静态的或具有相同动态依赖的。这样可以减少Diff的范围，只对需要更新的Block进行Diff。
静态标记（Static Flags）
Vue 3 使用静态标记来标记不同类型的节点，以便在运行时进行优化。下面是一些常见的静态标记：
| 静态标记 | 含义 |
|---|---|
TEXT |
纯文本节点 |
CLASS |
具有静态 class 属性的节点 |
STYLE |
具有静态 style 属性的节点 |
PROPS |
具有静态 props 属性的节点 |
NEED_PATCH |
需要进行 patch 操作的节点 |
DYNAMIC_SLOTS |
具有动态插槽的组件 |
FULL_PROPS |
组件的所有 props 都是动态的 |
HYDRATION_CHILDREN |
需要进行 hydration 的子节点（用于服务端渲染） |
STABLE_FRAGMENT |
子节点顺序稳定的 Fragment |
KEYED_FRAGMENT |
带有 key 的 Fragment |
UNKEYED_FRAGMENT |
不带 key 的 Fragment |
通过这些静态标记，Vue 3 可以在运行时跳过对静态节点的比较，从而大大提高性能。
最长递增子序列（LIS）
当节点顺序发生变化时，Vue 3 使用最长递增子序列算法来尽可能地复用已有的节点。
例如，假设旧的 VDOM 节点顺序为 [A, B, C, D, E]，新的 VDOM 节点顺序为 [A, E, B, C, D]。
如果没有 LIS 优化，我们需要将 E 移动到 A 后面，这将导致一次插入操作和一次删除操作。
但是，如果我们计算出最长递增子序列为 [B, C, D]，那么我们只需要将 E 插入到 A 后面即可，而 B、C、D 都不需要移动。
下面是一个简单的 LIS 算法的 JavaScript 实现：
function getSequence(arr) {
const p = arr.slice();
const result = [0];
let i, j, u, v, c;
const len = arr.length;
for (i = 0; i < len; i++) {
const arrI = arr[i];
if (arrI !== 0) {
j = result[result.length - 1];
if (arr[j] < arrI) {
p[i] = j;
result.push(i);
continue;
}
u = 0;
v = result.length - 1;
while (u < v) {
c = (u + v) >> 1;
if (arr[result[c]] < arrI) {
u = c + 1;
} else {
v = c;
}
}
if (arrI < arr[result[u]]) {
if (u > 0) {
p[i] = result[u - 1];
}
result[u] = i;
}
}
}
u = result.length;
v = result[u - 1];
while (u-- > 0) {
result[u] = v;
v = p[v];
}
return result;
}这个算法返回的是最长递增子序列的索引数组。
Block Tree
Vue 3 通过 Block Tree 将模板划分为一个个静态或动态的区域，从而减少 Diff 的范围。
例如，考虑以下模板：
<div>
<h1>{{ title }}</h1>
<p>This is a static paragraph.</p>
<ul>
<li v-for="item in items" :key="item.id">{{ item.name }}</li>
</ul>
</div>在这个模板中，<h1> 和 <ul> 是动态的，而 <p> 是静态的。Vue 3 会将这个模板划分为三个 Block：
- Block 1:
<h1>{{ title }}</h1> - Block 2:
<p>This is a static paragraph.</p> - Block 3:
<ul><li v-for="item in items" :key="item.id">{{ item.name }}</li></ul>
当 title 或 items 发生变化时，Vue 3 只需要对 Block 1 或 Block 3 进行 Diff，而 Block 2 可以直接跳过，因为它是静态的。
Vue 3 Diff算法的简化版示例代码：
由于Vue 3的Diff算法非常复杂，这里提供一个高度简化的版本，用于说明其核心思想：
function patch(oldVNode, newVNode, container) {
// ... 省略节点类型判断、属性更新等逻辑
if (oldVNode.dynamicChildren && newVNode.dynamicChildren) {
// 如果新旧节点都有动态子节点，则进行快速Diff
patchKeyedChildren(oldVNode.dynamicChildren, newVNode.dynamicChildren, container);
} else {
// 否则，进行完整的Diff
// (这里可以包含Vue 2的Diff算法逻辑，或者更简单的替换逻辑)
// ...
}
}
function patchKeyedChildren(oldChildren, newChildren, container) {
let i = 0;
const l = newChildren.length;
let e1 = oldChildren.length - 1;
let e2 = l - 1;
// 1. 从头部开始比较，找到相同的前缀
while (i <= e1 && i <= e2) {
const n1 = oldChildren[i];
const n2 = newChildren[i];
if (isSameVNodeType(n1, n2)) {
patch(n1, n2, container);
} else {
break;
}
i++;
}
// 2. 从尾部开始比较，找到相同的后缀
while (i <= e1 && i <= e2) {
const n1 = oldChildren[e1];
const n2 = newChildren[e2];
if (isSameVNodeType(n1, n2)) {
patch(n1, n2, container);
} else {
break;
}
e1--;
e2--;
}
// 3. 新增节点
if (i > e1) {
if (i <= e2) {
const nextPos = e2 + 1;
const anchor = nextPos < l ? newChildren[nextPos].el : null;
while (i <= e2) {
patch(null, newChildren[i], container, anchor); // patch(null, newVNode) 是挂载VNode的函数
i++;
}
}
}
// 4. 删除节点
else if (i > e2) {
while (i <= e1) {
unmount(oldChildren[i], container); // 卸载VNode的函数
i++;
}
}
// 5. 处理乱序节点
else {
// s1 ... e1
// i ... e2
const s1 = i;
const s2 = i;
// 5.1 构建key -> index的Map
const keyToNewIndexMap = new Map();
for (let i = s2; i <= e2; i++) {
const nextChild = newChildren[i];
if (nextChild.key != null) {
keyToNewIndexMap.set(nextChild.key, i);
}
}
// 5.2 遍历旧节点，尝试复用
let j;
let patched = 0;
const toBePatched = e2 - s2 + 1;
const newIndexToOldIndexMap = new Array(toBePatched);
for (i = 0; i < toBePatched; i++) newIndexToOldIndexMap[i] = 0;
for (i = s1; i <= e1; i++) {
const oldChild = oldChildren[i];
if (patched >= toBePatched) {
// 所有newChildren都被patch过了，剩余的oldChildren全部remove
unmount(oldChild, container);
continue;
}
let newIndex;
if (oldChild.key != null) {
newIndex = keyToNewIndexMap.get(oldChild.key);
} else {
// key为null的情况，遍历newChildren寻找相同节点
for (j = s2; j <= e2; j++) {
if (
newIndexToOldIndexMap[j - s2] === 0 &&
isSameVNodeType(oldChild, newChildren[j])
) {
newIndex = j;
break;
}
}
}
if (newIndex === undefined) {
// 没找到，删除旧节点
unmount(oldChild, container);
} else {
// 找到了，patch
patch(oldChild, newChildren[newIndex], container);
patched++;
newIndexToOldIndexMap[newIndex - s2] = i + 1;
}
}
// 5.3 移动和新增节点
// 计算最长递增子序列
const increasingNewIndexSequence = getSequence(newIndexToOldIndexMap);
j = increasingNewIndexSequence.length - 1;
// 倒序遍历，利用LIS结果进行移动和新增操作
for (i = toBePatched - 1; i >= 0; i--) {
const nextChild = newChildren[s2 + i];
const anchor = s2 + i + 1 < l ? newChildren[s2 + i + 1].el : null;
if (newIndexToOldIndexMap[i] === 0) {
// 新增节点
patch(null, nextChild, container, anchor);
} else if (increasingNewIndexSequence[j] === i) {
// 是最长递增子序列中的节点，不需要移动
j--;
} else {
// 需要移动的节点
move(nextChild, container, anchor); // 移动VNode的函数
}
}
}
}
function isSameVNodeType(n1, n2) {
return n1.type === n2.type && n1.key === n2.key
}理论复杂度分析：
- 静态标记: 通过静态标记，Vue 3可以跳过对静态节点的Diff，在理想情况下，如果大部分节点都是静态的，Diff的复杂度可以接近O(1)。
- 最长递增子序列: LIS算法的时间复杂度为O(N log N)，但它只应用于节点顺序发生变化的情况，并且能够减少DOM操作的数量。
- Block Tree: Block Tree 可以将 Diff 的范围限制在需要更新的 Block 内部，进一步减少了比较的节点数量。
因此，Vue 3的Diff算法在很多情况下可以超越O(N)的复杂度，实现更高效的更新渲染。
4. 实际性能分析
理论分析固然重要，但最终还是要看实际性能表现。Vue团队对Vue 3进行了大量的性能测试，结果表明Vue 3在以下方面具有显著优势：
- 更快的渲染速度: Vue 3的渲染速度比Vue 2快1.3-2倍。
- 更小的包体积: Vue 3的包体积更小，减少了加载时间。
- 更低的内存占用: Vue 3的内存占用更低，提高了应用的整体性能。
这些性能提升得益于Vue 3对Diff算法的优化，以及其他方面的改进，例如Proxy的使用、Tree-shaking的优化等。
性能测试结果示例：
| 测试项目 | Vue 2 | Vue 3 | 提升比例 |
|---|---|---|---|
| 渲染10000个节点 | 100ms | 60ms | 40% |
| 更新1000个节点 | 50ms | 30ms | 40% |
| 包体积 | 23KB | 16KB | 30% |
5. 总结
Vue 3的VDOM Diff算法通过静态标记、最长递增子序列和Block Tree等优化策略，实现了超越O(N)的性能表现，在处理大型列表和复杂组件时具有显著优势。虽然理论分析很重要，但实际性能才是最终的衡量标准，Vue 3的性能测试结果也证实了其优越性。
Vue 3的Diff算法通过静态标记、最长递增子序列和Block Tree等优化策略，实现了更高效的更新渲染。
Vue 3的性能测试结果也证实了其优越性，在处理大型列表和复杂组件时具有显著优势。
Vue 3的这些优化使得它在实际应用中能够提供更好的用户体验。
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