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Vue Patching算法如何处理VNode的`key`变动：实现高效的节点复用与列表更新

Vue Patching 算法中 Key 的作用：高效节点复用与列表更新

大家好，今天我们来深入探讨 Vue.js 的虚拟 DOM 和 Patching 算法中 key 属性的关键作用。理解 key 如何影响 Vue 的组件更新机制，可以帮助我们编写更高效、性能更优的 Vue 应用。

虚拟 DOM 与 Patching 算法概述

在深入 key 的作用之前，我们先快速回顾一下 Vue 的虚拟 DOM 和 Patching 算法。

  • 虚拟 DOM (Virtual DOM)：一个轻量级的 JavaScript 对象，代表着真实 DOM 的结构。当数据发生变化时，Vue 会创建一个新的虚拟 DOM 树，并与旧的虚拟 DOM 树进行比较。

  • Patching 算法 (Patching Algorithm)：比较新旧虚拟 DOM 树的差异，并仅将必要的更改应用到真实 DOM，从而最小化 DOM 操作，提高性能。

Patching 算法的核心目标是尽可能地复用现有的 DOM 节点，而不是每次都创建和销毁它们。key 属性在决定哪些节点可以复用方面起着至关重要的作用。

key 属性：节点的唯一标识

key 属性是一个特殊的 attribute，你可以将其添加到 Vue 模板中的元素或组件上。key 的主要作用是为 Vue 提供一个唯一标识符，以便在 Patching 过程中识别不同的 VNode。

为什么需要 key？

考虑以下场景：一个列表渲染了多个元素，如果列表顺序发生了变化，没有 key 的情况下，Vue 会如何更新 DOM？

假设我们有以下列表：

<ul>
  <li>A</li>
  <li>B</li>
  <li>C</li>
</ul>

如果列表顺序变为：

<ul>
  <li>C</li>
  <li>A</li>
  <li>B</li>
</ul>

如果没有 key，Vue 会简单地认为第一个 <li> 节点的内容从 "A" 变为 "C"，第二个 <li> 节点的内容从 "B" 变为 "A"，以此类推。这意味着 Vue 会更新所有 <li> 节点的内容，即使它们只是顺序发生了变化。

这会造成不必要的 DOM 操作，降低性能。更糟糕的是，如果 <li> 节点包含内部状态 (例如，输入框的值)，这些状态也会丢失，因为节点被误认为已更改。

key 的作用在于：它告诉 Vue，每个节点都有一个独特的身份。当列表顺序发生变化时，Vue 可以使用 key 来识别哪些节点是相同的，只是位置发生了变化，哪些节点是新增的或删除的。这样，Vue 就可以复用现有的 DOM 节点，只移动它们的位置，而不是重新创建它们。

示例：使用 key 进行列表渲染

<template>
  <ul>
    <li v-for="item in items" :key="item.id">{{ item.name }}</li>
  </ul>
</template>

<script>
export default {
  data() {
    return {
      items: [
        { id: 1, name: 'A' },
        { id: 2, name: 'B' },
        { id: 3, name: 'C' }
      ]
    };
  }
};
</script>

在这个例子中，我们使用 item.id 作为 key。这意味着 Vue 可以根据 id 来识别每个列表项。即使列表顺序发生变化，Vue 也能正确地复用 DOM 节点。

Patching 算法中 key 的使用

Vue 的 Patching 算法在比较新旧 VNode 树时，会使用 key 来优化更新过程。具体来说，算法会执行以下步骤：

  1. 比较根节点：首先，比较新旧 VNode 树的根节点。如果根节点类型不同，则直接替换整个 DOM 树。如果根节点类型相同，则继续比较它们的属性和子节点。

  2. 比较子节点：对于子节点，Patching 算法会尝试找到新旧 VNode 树中具有相同 key 的节点。

    • 如果找到了具有相同 key 的节点：Vue 会认为这两个节点是相同的，只是可能属性或内容发生了变化。因此，Vue 会更新该节点的属性和内容，而不是重新创建它。

    • 如果没有找到具有相同 key 的节点：Vue 会认为这是一个新增的节点，并创建一个新的 DOM 节点。

    • 如果旧 VNode 树中存在 key 在新 VNode 树中不存在的节点：Vue 会认为这是一个被删除的节点，并销毁对应的 DOM 节点。

  3. 移动节点：如果列表顺序发生了变化，Vue 会根据 key 来确定哪些节点需要移动，并将它们移动到正确的位置。

代码示例：Patching 算法的简化模拟

以下是一个简化的 Patching 算法的 JavaScript 代码示例，重点演示了 key 的作用：

function patch(oldVNode, newVNode, container) {
  if (oldVNode.tag !== newVNode.tag) {
    // 节点类型不同，直接替换
    container.removeChild(oldVNode.elm);
    container.appendChild(createElement(newVNode));
  } else {
    // 节点类型相同，比较属性和子节点
    // ... (省略属性更新的代码) ...

    const oldChildren = oldVNode.children;
    const newChildren = newVNode.children;

    if (oldChildren && newChildren) {
      updateChildren(oldChildren, newChildren, container);
    } else if (newChildren) {
      // 添加新的子节点
      newChildren.forEach(child => container.appendChild(createElement(child)));
    } else if (oldChildren) {
      // 移除旧的子节点
      oldChildren.forEach(child => container.removeChild(child.elm));
    }
  }
}

function updateChildren(oldChildren, newChildren, container) {
  let oldStartIdx = 0;
  let newStartIdx = 0;
  let oldEndIdx = oldChildren.length - 1;
  let newEndIdx = newChildren.length - 1;

  let oldStartVNode = oldChildren[oldStartIdx];
  let newStartVNode = newChildren[newStartIdx];
  let oldEndVNode = oldChildren[oldEndIdx];
  let newEndVNode = newChildren[newEndIdx];

  while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {
    if (!oldStartVNode) {
      oldStartVNode = oldChildren[++oldStartIdx];
    } else if (!oldEndVNode) {
      oldEndVNode = oldChildren[--oldEndIdx];
    } else if (sameVNode(oldStartVNode, newStartVNode)) {
      // 头头比较，相同则patch
      patch(oldStartVNode, newStartVNode, container);
      oldStartVNode = oldChildren[++oldStartIdx];
      newStartVNode = newChildren[++newStartIdx];
    } else if (sameVNode(oldEndVNode, newEndVNode)) {
      // 尾尾比较，相同则patch
      patch(oldEndVNode, newEndVNode, container);
      oldEndVNode = oldChildren[--oldEndIdx];
      newEndVNode = newChildren[--newEndIdx];
    } else if (sameVNode(oldStartVNode, newEndVNode)) {
      // 头尾比较，相同则patch并移动节点
      patch(oldStartVNode, newEndVNode, container);
      container.insertBefore(oldStartVNode.elm, oldEndVNode.elm.nextSibling);
      oldStartVNode = oldChildren[++oldStartIdx];
      newEndVNode = newChildren[--newEndIdx];
    } else if (sameVNode(oldEndVNode, newStartVNode)) {
      // 尾头比较，相同则patch并移动节点
      patch(oldEndVNode, newStartVNode, container);
      container.insertBefore(oldEndVNode.elm, oldStartVNode.elm);
      oldEndVNode = oldChildren[--oldEndIdx];
      newStartVNode = newChildren[++newStartIdx];
    } else {
      // 都没有找到，则创建新节点
      const newElm = createElement(newStartVNode);
      container.insertBefore(newElm, oldStartVNode.elm);
      newStartVNode = newChildren[++newStartIdx];
    }
  }

  // 处理剩余的节点
  if (oldStartIdx > oldEndIdx) {
    for (let i = newStartIdx; i <= newEndIdx; i++) {
      const newElm = createElement(newChildren[i]);
      container.insertBefore(newElm, oldChildren[oldStartIdx] ? oldChildren[oldStartIdx].elm : null);
    }
  } else if (newStartIdx > newEndIdx) {
    for (let i = oldStartIdx; i <= oldEndIdx; i++) {
      container.removeChild(oldChildren[i].elm);
    }
  }
}

function sameVNode(vnode1, vnode2) {
  return vnode1.key === vnode2.key && vnode1.tag === vnode2.tag;
}

function createElement(vnode) {
  const elm = document.createElement(vnode.tag);
  vnode.elm = elm; // 存储对应的 DOM 节点
  vnode.children && vnode.children.forEach(child => elm.appendChild(createElement(child)));
  return elm;
}

这个示例代码简化了 Vue 的 Patching 算法，但它展示了 sameVNode 函数如何使用 key 来判断两个 VNode 是否相同。如果 key 相同，则认为它们是同一个节点，可以进行更新。

注意：这只是一个简化的示例，Vue 的实际 Patching 算法更加复杂，包含了更多的优化策略。

key 的最佳实践

在使用 key 属性时，有一些最佳实践需要注意：

  1. 使用唯一且稳定的 key：key 应该具有唯一性，并且在列表的生命周期内保持不变。通常，可以使用数据库 ID 或其他唯一标识符作为 key。

  2. 避免使用索引作为 key：在大多数情况下，避免使用数组索引作为 key。当列表发生排序、插入或删除操作时，索引会发生变化，导致 Vue 无法正确地识别节点，从而造成不必要的 DOM 操作。

    为什么索引作为 key 不好？

    考虑以下场景：

    <template>
  <ul>
    <li v-for="(item, index) in items" :key="index">{{ item.name }}</li>
  </ul>
</template>

<script>
export default {
  data() {
    return {
      items: [
        { name: 'A' },
        { name: 'B' },
        { name: 'C' }
      ]
    };
  },
  mounted() {
    // 在数组头部插入一个元素
    this.items.unshift({ name: 'D' });
  }
};
</script>

    在 mounted 钩子函数中，我们在数组头部插入了一个元素。这意味着所有现有元素的索引都会发生变化。

    • 原来的 A 的索引从 0 变为 1
    • 原来的 B 的索引从 1 变为 2
    • 原来的 C 的索引从 2 变为 3

    由于 key 是索引，Vue 会认为所有节点都发生了变化，需要重新创建。这会导致性能问题，并且可能导致内部状态丢失。

  3. 为每个元素或组件都添加 key：即使列表没有发生变化，为每个元素或组件都添加 key 也是一个好习惯。这可以帮助 Vue 更快地识别节点，并提高 Patching 算法的效率。

  4. key 只能用于同级节点之间：key 只能用于同级节点之间，不能跨层级使用。Vue 使用 key 来识别同级节点中的差异，如果 key 跨层级使用，Vue 将无法正确地识别节点。

使用 Key 的优势与不使用 Key 的后果

使用正确的 key 可以带来以下优势：

  • 提高性能：通过复用现有的 DOM 节点，减少 DOM 操作，提高更新性能。
  • 维护状态：保留内部状态，避免在列表更新时丢失状态。
  • 简化开发：使代码更易于理解和维护。

不使用 key 或使用不正确的 key 会导致以下后果：

  • 性能下降：Vue 会重新创建大量的 DOM 节点，导致性能下降。
  • 状态丢失：内部状态可能会丢失，导致应用程序行为不正确。
  • 难以调试：代码更难调试，因为 Vue 的更新行为可能难以预测。

下表总结了使用和不使用 key 的区别：

特性 使用正确的 key 不使用 key 或使用不正确的 key
性能 提高 下降
状态维护 保留 丢失
代码可维护性 提高 下降
DOM 操作 减少 增多

总结：Key 是实现高效列表渲染的关键

key 属性在 Vue 的 Patching 算法中扮演着至关重要的角色。它为 Vue 提供了一个唯一标识符，用于识别不同的 VNode，从而实现高效的节点复用和列表更新。通过正确地使用 key，我们可以编写更高效、性能更优的 Vue 应用。记住，key 应该是唯一的、稳定的，并且避免使用索引作为 key。理解并掌握 key 的使用是成为一名优秀的 Vue 开发者的重要一步。

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