发布于 由admin

解释 React/Vue/Angular 等前端框架中的 Virtual DOM (虚拟 DOM) 工作原理及其优势。

各位亲爱的程序员同学们，大家好！

今天咱们来聊聊前端框架里一个非常重要的概念，也是面试常考点——Virtual DOM，也就是虚拟DOM。这玩意儿听起来好像很高大上，但其实没那么神秘，咱们用大白话把它掰开了揉碎了，保证大家听完以后能跟别人侃侃而谈，甚至能自己动手实现一个简单的Virtual DOM。

一、什么是DOM？ 为什么需要Virtual DOM？

首先，我们要知道什么是DOM。DOM（Document Object Model），文档对象模型，简单来说，就是浏览器把HTML文档解析成一个树形结构，每个HTML元素、属性、文本都变成树上的一个节点。我们可以通过JavaScript来操作这些节点，从而改变网页的内容和结构。

但是，直接操作DOM是很慢的！为什么呢？

  • DOM操作很昂贵： 每次操作DOM，浏览器都要重新渲染页面，这个渲染过程包括重排（Reflow）和重绘（Repaint）。重排是指重新计算元素的位置和大小，重绘是指重新绘制元素的外观。这两个过程都非常消耗性能，特别是当DOM结构复杂、操作频繁的时候，页面就会变得卡顿。
  • 频繁操作DOM是常态： 在现代Web应用中，用户的交互非常频繁，这意味着我们需要频繁地更新DOM。如果每次更新都直接操作DOM，性能瓶颈就会非常明显。

举个例子，你想在页面上显示一个计数器，每秒钟加1。如果直接操作DOM，代码大概是这样：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>DOM Counter</title>
</head>
<body>
  <div id="counter">0</div>
  <script>
    let count = 0;
    const counterElement = document.getElementById('counter');

    setInterval(() => {
      count++;
      counterElement.textContent = count; // 直接操作DOM
    }, 1000);
  </script>
</body>
</html>

这段代码很简单，但是它会不停地修改counterElement的textContent属性，每次修改都会触发浏览器的重新渲染。如果你的页面元素很多，或者逻辑更复杂，这种频繁的DOM操作会严重影响性能。

所以，为了解决这个问题，Virtual DOM就应运而生了。

二、Virtual DOM是什么？

Virtual DOM本质上就是一个JavaScript对象，它用来描述真实的DOM结构。我们可以把它看作是DOM的一个轻量级的副本。

与直接操作DOM不同，当我们修改数据时，框架（比如React、Vue、Angular）会先更新Virtual DOM，然后通过比较新旧Virtual DOM的差异，找出需要更新的部分，最后再把这些更新应用到真实的DOM上。

这个过程就像是，你想要修改一篇文章，先在草稿上修改，修改完成后再把修改的部分誊写到正式的文章上。草稿就是Virtual DOM，正式的文章就是真实的DOM。

三、Virtual DOM的工作原理

Virtual DOM的工作流程可以分为以下几个步骤：

  1. 创建Virtual DOM： 框架会根据组件的状态（state）或者数据（data）创建一个Virtual DOM树，这个树是一个JavaScript对象，包含了所有需要渲染的信息。

  2. Diff算法： 当数据发生变化时，框架会创建一个新的Virtual DOM树，然后使用Diff算法比较新旧Virtual DOM树的差异。Diff算法会找出需要更新的节点、属性和文本。

  3. Patch： 根据Diff算法的结果，框架会生成一个Patch对象，这个对象描述了如何更新真实的DOM。

  4. 更新DOM： 框架会根据Patch对象，把需要更新的部分应用到真实的DOM上。

用一张表格来总结一下：

步骤 说明
创建VNode 根据组件的状态或数据，创建一个描述DOM结构的JavaScript对象（VNode）。
Diff算法 比较新旧VNode树的差异，找出需要更新的部分。
Patch 根据Diff算法的结果，生成一个Patch对象，描述如何更新真实DOM。
更新真实DOM 根据Patch对象，批量更新真实DOM，减少直接操作DOM的次数。

四、Diff算法详解

Diff算法是Virtual DOM的核心，它的目标是找到最小的更新量，从而最大限度地提高性能。不同的框架使用的Diff算法可能略有不同，但是基本原理是相似的。

React和Vue都使用了类似的Diff算法，它们采用了一种叫做“基于Key的同层比较”的策略。

  • 基于Key的同层比较： Diff算法只会比较同一层级的节点。如果一个节点在新Virtual DOM中不存在，那么它会被删除；如果一个节点在新Virtual DOM中是新增的，那么它会被添加到对应的位置；如果一个节点在新旧Virtual DOM中都存在，那么会比较它们的属性和子节点。

  • Key的作用： Key是用来标识节点的唯一性的。Diff算法会根据Key来判断节点是否是同一个节点。如果Key相同，那么Diff算法会认为这两个节点是同一个节点，只是属性或者子节点可能发生了变化。如果没有Key，Diff算法就无法判断节点是否是同一个节点，只能简单地进行替换操作，这会造成不必要的DOM操作。

举个例子，假设我们有这样一个列表：

<ul>
  <li key="a">Item A</li>
  <li key="b">Item B</li>
  <li key="c">Item C</li>
</ul>

现在，我们把Item B移动到列表的开头：

<ul>
  <li key="b">Item B</li>
  <li key="a">Item A</li>
  <li key="c">Item C</li>
</ul>

如果没有Key，Diff算法会认为所有的节点都发生了变化，需要重新创建和替换。但是，有了Key，Diff算法就能识别出Item A、Item B和Item C还是原来的节点，只需要调整它们的顺序即可。

五、Virtual DOM的优势

Virtual DOM带来了很多优势，主要体现在以下几个方面：

  • 提高性能： Virtual DOM可以减少直接操作DOM的次数，避免频繁的重排和重绘，从而提高性能。
  • 更好的开发体验： Virtual DOM让我们可以更专注于数据的变化，而不需要关心如何更新DOM。框架会自动帮我们完成DOM操作，简化了开发流程。
  • 跨平台能力： Virtual DOM可以运行在不同的平台上，比如浏览器、服务器、移动端等。这使得我们可以使用同一套代码来构建不同平台的应用。

六、Virtual DOM的局限性

Virtual DOM并不是万能的，它也有一些局限性：

  • 首次渲染会比较慢： 在首次渲染时，Virtual DOM需要创建完整的DOM树，这个过程会比直接操作DOM慢一些。但是，在后续的更新中，Virtual DOM的性能优势会逐渐显现出来。
  • 需要额外的内存空间： Virtual DOM需要占用额外的内存空间来存储Virtual DOM树。
  • 不能完全替代直接DOM操作： 在某些情况下，直接操作DOM可能比Virtual DOM更有效率。比如，当需要操作底层DOM API时，或者当需要进行一些特殊的动画效果时。

七、代码示例：一个简单的Virtual DOM实现

为了更好地理解Virtual DOM的工作原理，我们来手写一个简单的Virtual DOM实现。这个实现非常简化，只包含最核心的功能，但是它可以帮助你理解Virtual DOM的基本概念。

首先，我们需要一个VNode类，用来描述Virtual DOM节点：

class VNode {
  constructor(tagName, props, children) {
    this.tagName = tagName;
    this.props = props || {};
    this.children = children || [];
  }
}

// 创建VNode的辅助函数
function createElement(tagName, props, ...children) {
  return new VNode(tagName, props, children);
}

这个VNode类包含了三个属性：

  • tagName：节点的标签名，比如div、p、span等。
  • props：节点的属性，比如id、class、style等。
  • children：节点的子节点，是一个数组，包含了其他的VNode对象或者文本节点。

接下来，我们需要一个render函数，用来把VNode对象转换成真实的DOM节点：

function render(vnode) {
  if (typeof vnode === 'string' || typeof vnode === 'number') {
    // 如果是文本节点，直接创建文本节点
    return document.createTextNode(vnode);
  }

  // 创建DOM元素
  const element = document.createElement(vnode.tagName);

  // 设置属性
  for (const propName in vnode.props) {
    element.setAttribute(propName, vnode.props[propName]);
  }

  // 递归渲染子节点
  vnode.children.forEach(child => {
    element.appendChild(render(child));
  });

  return element;
}

这个render函数会递归地遍历VNode树，把每个VNode对象转换成真实的DOM节点。

最后，我们需要一个patch函数，用来比较新旧VNode树的差异，并更新真实的DOM：

function patch(oldVNode, newVNode) {
  // 如果新旧VNode类型不同，直接替换
  if (oldVNode.tagName !== newVNode.tagName) {
    const newElement = render(newVNode);
    oldVNode.parentNode.replaceChild(newElement, oldVNode);
    return newElement;
  }

  // 如果新旧VNode是文本节点，且内容不同，更新文本内容
  if (typeof oldVNode === 'string' || typeof oldVNode === 'number') {
    if (oldVNode !== newVNode) {
      oldVNode.parentNode.textContent = newVNode;
    }
    return oldVNode.parentNode;
  }

  // 更新属性
  const element = oldVNode; // 复用旧的DOM元素
  for (const propName in newVNode.props) {
    if (oldVNode.props[propName] !== newVNode.props[propName]) {
      element.setAttribute(propName, newVNode.props[propName]);
    }
  }

  // 递归更新子节点
  const oldChildren = oldVNode.children;
  const newChildren = newVNode.children;

  for (let i = 0; i < Math.max(oldChildren.length, newChildren.length); i++) {
    patch(oldChildren[i], newChildren[i]);
  }

  return element;
}

这个patch函数会比较新旧VNode树的差异，并根据差异来更新真实的DOM。

现在，我们可以使用这些函数来创建一个简单的Virtual DOM应用：

// 创建一个VNode
const oldVNode = createElement('div', { id: 'container' },
  createElement('h1', {}, 'Hello, Virtual DOM!'),
  createElement('p', {}, 'This is a simple example.')
);

// 渲染到页面上
const container = document.getElementById('app');
const realDOM = render(oldVNode);
container.appendChild(realDOM);

// 更新VNode
const newVNode = createElement('div', { id: 'container' },
  createElement('h1', {}, 'Hello, Updated Virtual DOM!'),
  createElement('p', {}, 'This is an updated example.')
);

// 比较新旧VNode的差异，并更新DOM
patch(oldVNode, newVNode);

这段代码首先创建了一个VNode对象，然后把它渲染到页面上。接着，我们更新了VNode对象，并使用patch函数来更新真实的DOM。

这个例子非常简单，但是它展示了Virtual DOM的基本工作原理。

八、React/Vue/Angular中的Virtual DOM

虽然我们手写了一个简单的Virtual DOM实现，但是真实的框架（比如React、Vue、Angular）中的Virtual DOM实现要复杂得多。它们包含了更多的优化和特性，比如：

  • 更高效的Diff算法： React和Vue都使用了更高效的Diff算法，可以更快地找到需要更新的部分。
  • 批量更新： 框架会将多个更新合并成一个批量更新，从而减少DOM操作的次数。
  • 异步更新： 框架会异步地更新DOM，从而避免阻塞主线程。

下面我们简单看看这三个框架是如何使用Virtual DOM的。

1. React

React 使用 JSX 语法来描述 UI，JSX 会被 Babel 编译成 React.createElement 函数调用，最终生成 Virtual DOM。React 的 Diff 算法被称为 Reconciliation。

// JSX 示例
const element = (
  <div className="container">
    <h1>Hello, React!</h1>
    <p>This is a paragraph.</p>
  </div>
);

// 编译后的 React.createElement 调用
const element = React.createElement(
  "div",
  { className: "container" },
  React.createElement("h1", null, "Hello, React!"),
  React.createElement("p", null, "This is a paragraph.")
);

2. Vue

Vue 使用模板或者 JSX 来描述 UI，模板会被编译成渲染函数，渲染函数会生成 Virtual DOM。Vue 的 Diff 算法在源码中被称为 patch。

// Vue 模板示例
<template>
  <div class="container">
    <h1>Hello, Vue!</h1>
    <p>This is a paragraph.</p>
  </div>
</template>

// Vue 渲染函数示例 (大致)
render: function (createElement) {
  return createElement(
    'div',
    { class: 'container' },
    [
      createElement('h1', null, 'Hello, Vue!'),
      createElement('p', null, 'This is a paragraph.')
    ]
  )
}

3. Angular

Angular 使用模板来描述 UI，模板会被编译成组件的渲染函数，渲染函数会生成 DOM 指令，Angular 使用 Change Detection 机制来检测数据变化，并更新 DOM。虽然 Angular 没有明确的 "Virtual DOM" 概念，但其 Change Detection 和 DOM 操作优化实现了类似的效果。

// Angular 模板示例
<div class="container">
  <h1>Hello, Angular!</h1>
  <p>This is a paragraph.</p>
</div>

表格对比

特性 React Vue Angular
UI 描述 JSX 模板/JSX 模板
Virtual DOM 通过 React.createElement 生成 VDOM 通过渲染函数生成 VDOM 类似机制，但没有明确的 "Virtual DOM" 概念
Diff 算法 Reconciliation patch Change Detection
更新策略 批量更新，异步更新 批量更新，异步更新 Change Detection 驱动的更新

九、总结

Virtual DOM是一个非常重要的概念，它可以帮助我们提高Web应用的性能，改善开发体验。虽然Virtual DOM并不是万能的，但是它在现代前端框架中扮演着重要的角色。

希望今天的讲座能帮助大家更好地理解Virtual DOM的工作原理。如果你还有任何问题，欢迎随时提问。

下次再见！

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注