Vue VDOM Diffing算法中内存访问模式的优化：提高CPU缓存命中率与Patching速度

Vue VDOM Diffing算法中内存访问模式的优化：提高CPU缓存命中率与Patching速度

各位朋友，大家好。今天我们来深入探讨Vue VDOM Diffing算法，重点关注如何通过优化内存访问模式来提高CPU缓存命中率，从而加速Patching过程。

1. VDOM Diffing 的基本原理与性能瓶颈

Vue 使用 Virtual DOM（VDOM）作为一种抽象层，用于表示真实 DOM 结构。当数据发生变化时，Vue 会创建一个新的 VDOM 树，并将其与之前的 VDOM 树进行比较（Diffing），找出差异，然后将这些差异应用到真实 DOM 上（Patching）。

Diffing 算法的目标是尽可能高效地找出 VDOM 树之间的最小差异。 传统的Diffing算法例如“Naive Diff”需要O(n^3)的时间复杂度，这对于大型应用是不可接受的。Vue的Diff算法，采用了一种优化的策略，使其时间复杂度接近O(n)，但这并不意味着没有优化空间。

// 简单的 VDOM 节点示例
function h(tag, props, children) {
  return {
    tag: tag,
    props: props,
    children: children
  };
}

// 示例：创建两个简单的 VDOM 树
const oldVNode = h('div', { id: 'app' }, [
  h('p', {}, ['Hello']),
  h('span', {}, ['World'])
]);

const newVNode = h('div', { id: 'app' }, [
  h('p', {}, ['Hello Vue']),
  h('span', {}, ['World'])
]);

Diffing过程找出oldVNode和newVNode之间的差异，例如p标签的子节点内容发生了变化。

虽然Vue的Diffing算法在很大程度上提高了效率，但仍然存在性能瓶颈，主要集中在以下几个方面：

• 大量的内存访问： Diffing 过程需要频繁地读取和比较 VDOM 节点的数据。
• CPU缓存失效： VDOM 节点的创建和更新可能会导致内存碎片化，降低CPU缓存命中率。
• Patching 操作的开销： 将差异应用到真实 DOM 上仍然需要进行 DOM 操作，这本身就是一个相对昂贵的操作。

今天我们主要关注如何优化内存访问模式来提高CPU缓存命中率，从而加速Diffing和Patching过程。

2. CPU 缓存与内存访问模式

CPU 缓存是位于 CPU 和主内存之间的高速存储器，用于存储频繁访问的数据。 缓存的目的是减少 CPU 从主内存读取数据的次数，从而提高程序的执行速度。 CPU 缓存通常分为 L1、L2 和 L3 三级缓存，L1缓存最快，但容量最小，L3缓存最慢，但容量最大。

CPU 缓存的工作原理是基于局部性原理，即程序在执行过程中倾向于访问最近访问过的数据和地址相邻的数据。 因此，优化内存访问模式的关键在于提高数据访问的局部性，使 CPU 能够更频繁地从缓存中读取数据，而不是从主内存中读取数据。

常见的内存访问模式包括：

• 顺序访问： 按照内存地址的顺序依次访问数据。
• 随机访问： 随机访问内存中的数据。
• 空间局部性： 访问的数据在内存中相邻。
• 时间局部性： 最近访问过的数据在不久的将来再次被访问。

顺序访问和空间局部性有利于提高CPU缓存命中率，而随机访问则会导致CPU缓存失效。

3. Vue VDOM Diffing 算法中的内存访问模式分析

Vue VDOM Diffing 算法的内存访问模式主要集中在以下几个方面：

• VDOM 节点的创建和更新： 创建新的 VDOM 节点需要分配内存，更新 VDOM 节点需要读取和写入内存。
• VDOM 树的遍历： Diffing 算法需要遍历 VDOM 树，比较新旧 VDOM 节点。
• Patching 操作： 将差异应用到真实 DOM 上需要读取和写入 DOM 节点的属性和子节点。

在传统的 Vue 应用中，VDOM 节点的创建和更新可能会导致内存碎片化，降低CPU缓存命中率。例如，如果频繁地创建和销毁 VDOM 节点，可能会导致内存中出现大量的空闲块，从而破坏了数据的空间局部性。

此外，Diffing 算法的遍历过程也可能会导致CPU缓存失效。 例如，如果 VDOM 树的结构比较复杂，Diffing 算法需要频繁地在不同的 VDOM 节点之间跳转，这可能会导致 CPU 缓存中的数据被频繁地替换。

4. 优化 VDOM 节点的内存布局

为了提高CPU缓存命中率，可以优化 VDOM 节点的内存布局，使其更加紧凑和连续。

• 使用数组代替对象： 在某些情况下，可以使用数组代替对象来存储 VDOM 节点的数据。 数组在内存中是连续存储的，而对象的属性则可能分散在内存的不同位置。

  // 使用对象存储 VDOM 节点数据
  const vnode = {
    tag: 'div',
    props: { id: 'app' },
    children: ['Hello', 'World']
  };
  
  // 使用数组存储 VDOM 节点数据
  const vnodeArray = ['div', { id: 'app' }, ['Hello', 'World']];

  虽然数组的可读性可能不如对象，但它可以提高内存访问的效率。

• 避免频繁的内存分配和释放： 尽量避免频繁地创建和销毁 VDOM 节点。 可以使用对象池来重用 VDOM 节点，减少内存分配和释放的次数。

  // 对象池示例
  const vnodePool = [];
  
  function createVNode(tag, props, children) {
    if (vnodePool.length > 0) {
      const vnode = vnodePool.pop();
      vnode.tag = tag;
      vnode.props = props;
      vnode.children = children;
      return vnode;
    } else {
      return { tag: tag, props: props, children: children };
    }
  }
  
  function recycleVNode(vnode) {
    vnodePool.push(vnode);
  }

  使用对象池可以减少内存碎片化，提高CPU缓存命中率。

• 合理安排数据成员的顺序: 将经常一起访问的数据成员放在相邻的内存位置，提高空间局部性。 例如，可以将 VDOM 节点的 tag、props 和 children 属性放在一起。

  // 优化数据成员的顺序
  const vnode = {
    tag: 'div', // 经常访问
    props: { id: 'app' }, // 经常访问
    children: ['Hello', 'World'], // 经常访问
    key: null, // 很少访问
    elm: null // 很少访问
  };

  将 tag、props 和 children 属性放在一起，可以提高 CPU 缓存命中率。

5. 优化 Diffing 算法的遍历过程

Diffing 算法的遍历过程也需要进行优化，以提高CPU缓存命中率。

• 深度优先遍历： 使用深度优先遍历算法可以提高空间局部性。 深度优先遍历会尽可能地访问一个 VDOM 节点的子节点，然后再访问兄弟节点。

  // 深度优先遍历示例
  function diff(oldVNode, newVNode) {
    // ...
  
    // 遍历子节点
    if (oldVNode.children && newVNode.children) {
      for (let i = 0; i < Math.max(oldVNode.children.length, newVNode.children.length); i++) {
        diff(oldVNode.children[i], newVNode.children[i]);
      }
    }
  
    // ...
  }

  深度优先遍历可以提高 CPU 缓存命中率，因为它可以尽可能地访问相邻的 VDOM 节点。

• Key 的使用： 为 VDOM 节点添加 key 属性可以帮助 Diffing 算法更准确地识别节点的变化。 当节点的位置发生变化时，Diffing 算法可以通过 key 属性来判断节点是否是同一个节点，从而避免不必要的 DOM 操作。

  // 使用 key 属性
  const oldVNode = h('div', { id: 'app' }, [
    h('p', { key: 'p1' }, ['Hello']),
    h('span', { key: 'span1' }, ['World'])
  ]);
  
  const newVNode = h('div', { id: 'app' }, [
    h('span', { key: 'span1' }, ['World']),
    h('p', { key: 'p1' }, ['Hello'])
  ]);

  如果没有 key 属性，Diffing 算法可能会认为 p 节点和 span 节点都发生了变化，从而导致不必要的 DOM 操作。 通过使用key，Diff算法能够识别到节点只是位置发生了变化，只需要移动DOM节点即可。

• 避免不必要的比较： 在 Diffing 过程中，可以跳过一些不必要的比较。 例如，如果新旧 VDOM 节点的 tag 和 key 属性都相同，那么可以认为这两个节点是相同的，不需要进行进一步的比较。

  // 避免不必要的比较
  function isSameVNode(oldVNode, newVNode) {
    return oldVNode.tag === newVNode.tag && oldVNode.key === newVNode.key;
  }
  
  function diff(oldVNode, newVNode) {
    if (isSameVNode(oldVNode, newVNode)) {
      // ...
      return; // 跳过比较
    }
  
    // ...
  }

  避免不必要的比较可以减少 CPU 的计算量，提高 Diffing 算法的效率。

6. Patching 过程的优化

Patching 过程是将 VDOM 树的差异应用到真实 DOM 上的过程。 这个过程涉及到大量的 DOM 操作，因此也需要进行优化。

• 批量更新： 将多个 DOM 操作合并成一个批处理操作，减少 DOM 操作的次数。

  // 批量更新示例
  function patch(oldVNode, newVNode) {
    // ...
  
    const patches = []; // 存储需要执行的 DOM 操作
  
    // 添加 DOM 操作到 patches 数组
    patches.push({ type: 'TEXT_CHANGE', node: oldVNode.elm, value: newVNode.children });
  
    // 批量执行 DOM 操作
    patches.forEach(patch => {
      if (patch.type === 'TEXT_CHANGE') {
        patch.node.textContent = patch.value;
      }
      // ...
    });
  
    // ...
  }

  批量更新可以减少 DOM 操作的次数，提高 Patching 过程的效率。

• 使用 DocumentFragment： DocumentFragment 是一个轻量级的 DOM 节点，可以用于存储多个 DOM 节点。 可以使用 DocumentFragment 来批量添加 DOM 节点，减少 DOM 操作的次数。

  // 使用 DocumentFragment 示例
  function patch(oldVNode, newVNode) {
    // ...
  
    const fragment = document.createDocumentFragment();
  
    // 将新的 DOM 节点添加到 fragment 中
    newVNode.children.forEach(child => {
      const newElement = document.createElement(child.tag);
      newElement.textContent = child.children;
      fragment.appendChild(newElement);
    });
  
    // 将 fragment 添加到父节点中
    oldVNode.elm.appendChild(fragment);
  
    // ...
  }

  使用 DocumentFragment 可以减少 DOM 操作的次数，提高 Patching 过程的效率。

• 异步更新： 将 Patching 操作放到异步队列中执行，避免阻塞主线程。 可以使用 requestAnimationFrame 或 setTimeout 来实现异步更新。

  // 异步更新示例
  function patch(oldVNode, newVNode) {
    // ...
  
    requestAnimationFrame(() => {
      // 执行 Patching 操作
      // ...
    });
  
    // ...
  }

  异步更新可以避免阻塞主线程，提高应用的响应速度。

7. 代码示例：优化后的 VDOM Diffing 算法

下面是一个简单的优化后的 VDOM Diffing 算法的示例：

// VDOM 节点类型
const VNODE_TYPE = {
  ELEMENT: 1,
  TEXT: 2
};

// Patch 类型
const PATCH_TYPE = {
  TEXT: 1,
  PROPS: 2,
  REPLACE: 3
};

// 创建 VNode
function h(tag, props, children) {
  return {
    tag,
    props,
    children,
    type: typeof tag === 'string' ? VNODE_TYPE.ELEMENT : VNODE_TYPE.TEXT,
    elm: null, // 对应的真实DOM
    key: props && props.key ? props.key : null
  };
}

// 判断两个 VNode 是否相同
function isSameVNode(n1, n2) {
  return n1.tag === n2.tag && n1.key === n2.key;
}

// Diff 算法
function diff(n1, n2) {
  if (!n1) {
    mountElement(n2, container);
    return;
  }

  if (!n2) {
    n1.elm.parentNode.removeChild(n1.elm);
    return;
  }

  if (n1.type !== n2.type) {
    replaceNode(n1, n2);
    return;
  }

  if (n1.type === VNODE_TYPE.TEXT) {
    if (n1.children !== n2.children) {
      n1.elm.textContent = n2.children;
    }
    return;
  }

  // 如果是 ELEMENT
  if (isSameVNode(n1, n2)) {
    const el = (n2.elm = n1.elm);  // 复用DOM
    patchProps(el, n2, n1.props, n2.props);
    diffChildren(n1, n2, el);
  } else {
    replaceNode(n1, n2);
  }

}

function diffChildren(n1, n2, container) {
  if (typeof n2.children === 'string') {
    if (typeof n1.children === 'string' && n1.children !== n2.children) {
      n1.elm.textContent = n2.children;
    } else {
      container.innerHTML = n2.children;
    }
    return;
  }

  // n2.children 是数组
  const oldChildren = n1.children;
  const newChildren = n2.children;

  let oldStartIndex = 0;
  let newStartIndex = 0;
  let oldEndIndex = oldChildren.length - 1;
  let newEndIndex = newChildren.length - 1;

  let oldStartVNode = oldChildren[oldStartIndex];
  let newStartVNode = newChildren[newStartIndex];
  let oldEndVNode = oldChildren[oldEndIndex];
  let newEndVNode = newChildren[newEndIndex];

  while (oldStartIndex <= oldEndIndex && newStartIndex <= newEndIndex) {
    if (!oldStartVNode) {
      oldStartVNode = oldChildren[++oldStartIndex];
    } else if (!oldEndVNode) {
      oldEndVNode = oldChildren[--oldEndIndex];
    } else if (isSameVNode(oldStartVNode, newStartVNode)) {
      patch(oldStartVNode, newStartVNode);
      oldStartVNode = oldChildren[++oldStartIndex];
      newStartVNode = newChildren[++newStartIndex];
    } else if (isSameVNode(oldEndVNode, newEndVNode)) {
      patch(oldEndVNode, newEndVNode);
      oldEndVNode = oldChildren[--oldEndIndex];
      newEndVNode = newChildren[--newEndIndex];
    } else if (isSameVNode(oldStartVNode, newEndVNode)) {
      patch(oldStartVNode, newEndVNode);
      container.insertBefore(oldStartVNode.elm, oldEndVNode.elm.nextSibling);
      oldStartVNode = oldChildren[++oldStartIndex];
      newEndVNode = newChildren[--newEndIndex];
    } else if (isSameVNode(oldEndVNode, newStartVNode)) {
      patch(oldEndVNode, newStartVNode);
      container.insertBefore(oldEndVNode.elm, oldStartVNode.elm);
      oldEndVNode = oldChildren[--oldEndIndex];
      newStartVNode = newChildren[++newStartIndex];
    } else {
      // 都不匹配，需要查找
      const keyToNewIndexMap = new Map();
      for (let i = newStartIndex; i <= newEndIndex; i++) {
        const key = newChildren[i].key;
        if (key) {
          keyToNewIndexMap.set(key, i);
        }
      }
      const indexInOld = keyToNewIndexMap.get(oldStartVNode.key);
      if (indexInOld) {
        const vnodeToMove = newChildren[indexInOld];
        patch(oldStartVNode, vnodeToMove);
        container.insertBefore(vnodeToMove.elm, oldStartVNode.elm);
        oldStartVNode = oldChildren[++oldStartIndex];
        newChildren[indexInOld] = undefined;  // 占位，避免重复处理
      } else {
        // 全新节点，需要创建
        mountElement(newStartVNode, container, oldStartVNode.elm);
        newStartVNode = newChildren[++newStartIndex];
      }
    }
  }

  // 处理剩余节点
  if (oldStartIndex > oldEndIndex) {
    for (let i = newStartIndex; i <= newEndIndex; i++) {
      mountElement(newChildren[i], container, oldChildren[oldStartIndex] ? oldChildren[oldStartIndex].elm : null);
    }
  } else if (newStartIndex > newEndIndex) {
    for (let i = oldStartIndex; i <= oldEndIndex; i++) {
      if (oldChildren[i]) {  // 可能为 undefined
        container.removeChild(oldChildren[i].elm);
      }
    }
  }
}

function patchProps(el, vnode, oldProps, newProps) {
  oldProps = oldProps || {};
  newProps = newProps || {};

  // 删除不存在的属性
  for (const key in oldProps) {
    if (!(key in newProps)) {
      el.removeAttribute(key);
    }
  }

  // 添加/更新属性
  for (const key in newProps) {
    if (oldProps[key] !== newProps[key]) {
      el.setAttribute(key, newProps[key]);
    }
  }
}

function mountElement(vnode, container, anchor) {
  const { tag, props, children, type } = vnode;
  const el = (vnode.elm = document.createElement(tag));

  if (props) {
    for (const key in props) {
      el.setAttribute(key, props[key]);
    }
  }

  if (typeof children === 'string') {
    el.textContent = children;
  } else if (Array.isArray(children)) {
    children.forEach(child => {
      mountElement(child, el);
    });
  }

  container.insertBefore(el, anchor);
}

function replaceNode(n1, n2) {
  mountElement(n2, n1.elm.parentNode, n1.elm);
  n1.elm.parentNode.removeChild(n1.elm);
}

// 示例用法
const oldVNode = h('div', { id: 'app' }, [
  h('p', { key: 'p1' }, 'Hello'),
  h('span', { key: 'span1' }, 'World')
]);

const newVNode = h('div', { id: 'app' }, [
  h('span', { key: 'span1' }, 'World!'),
  h('p', { key: 'p1' }, 'Hello Vue!')
]);

const container = document.getElementById('app');
diff(oldVNode, newVNode, container);

这个示例代码包含了以下优化：

• isSameVNode 函数用于快速判断两个 VDOM 节点是否相同。
• diffChildren 函数使用了双端Diff算法，尽可能复用现有的DOM节点。
• key 属性的使用，可以帮助 Diffing 算法更准确地识别节点的变化。

8. 性能测试与分析

为了验证优化效果，需要进行性能测试和分析。 可以使用 Chrome DevTools 的 Performance 面板来分析 VDOM Diffing 和 Patching 过程的性能瓶颈。

常用的性能指标包括：

• CPU 使用率： CPU 使用率越高，说明 CPU 的计算量越大。
• 内存使用量： 内存使用量越高，说明程序的内存占用越大。
• 垃圾回收（GC）时间： 垃圾回收时间越长，说明程序的内存分配和释放越频繁。
• 帧率（FPS）： 帧率越高，说明应用的流畅度越高。

通过性能测试和分析，可以找出 VDOM Diffing 和 Patching 过程的性能瓶颈，并针对性地进行优化。

9. 总结性概括

通过优化VDOM节点的内存布局，改进Diff算法的遍历方式，以及采用批量更新和异步更新的Patch策略，可以有效提高CPU缓存命中率，从而显著提升Vue VDOM Diffing算法的性能，最终加快Patching速度，改善用户体验。

进一步思考与探索

除了以上提到的优化方法，还可以尝试其他优化策略，例如：

• WebAssembly： 使用 WebAssembly 可以提高计算密集型任务的性能，例如 Diffing 算法。
• GPU 加速： 可以使用 GPU 来加速 DOM 操作，例如 Patching 操作。

希望今天的分享能对你有所帮助。谢谢大家。

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