深入分析 Virtual DOM (虚拟 DOM) 在 React/Vue 等框架中提升渲染性能的原理，以及 Diff 算法的关键步骤。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位好！我是老码农，今天咱们来聊聊Virtual DOM这个让前端性能起飞的大杀器。各位前端的攻城狮们，是不是经常听到“Virtual DOM”、“Diff算法”这些词儿？感觉很高大上，但又有点摸不着头脑？今天就让我用最接地气的方式，把这玩意儿扒个精光，保证大家听完以后，晚上做梦都能写出高性能的React组件！

咱们这堂课主要分三部分：

Virtual DOM：一个假想敌？ 咱们先搞清楚，Virtual DOM到底是个什么玩意儿，它凭什么能提升性能？
Diff算法：火眼金睛找不同 有了Virtual DOM，怎么知道页面哪里需要更新呢？这就得靠Diff算法了，咱们来一步步拆解它。
代码实战：自己动手丰衣足食 光说不练假把式，咱们用JS手撸一个简化版的Virtual DOM和Diff算法，加深理解。

第一部分：Virtual DOM：一个假想敌？

想象一下，你是一名辛勤的清洁工，每天的任务就是打扫整个城市。如果每次有人扔了一张纸屑，你都要立刻跑过去清扫，那还不累死？Virtual DOM就像一个“假想敌”，它不是真正的DOM，而是一个轻量级的JavaScript对象，用来描述真实的DOM结构。

为什么要搞一个假的DOM呢？

原因很简单：直接操作真实DOM太耗性能了！真实的DOM操作涉及到浏览器的重绘（repaint）和重排（reflow），这可是非常消耗资源的。Virtual DOM就像一个缓冲区，我们先在Virtual DOM上进行各种操作，最后再把差异更新到真实的DOM上，这样就能减少DOM操作的次数，提高性能。

可以把Virtual DOM理解为：

一棵JavaScript树: 每个节点都是一个JavaScript对象，包含了元素类型、属性、子元素等信息。
DOM的快照: 记录了当前页面状态，方便进行对比。
性能优化利器: 通过批量更新DOM，减少浏览器负担。

举个例子:

假设我们有一个简单的HTML结构：

<div id="root">
  <h1>Hello, World!</h1>
  <p>This is a paragraph.</p>
</div>

对应的Virtual DOM可能是这样的（简化版）：

const virtualDOM = {
  type: 'div',
  props: { id: 'root' },
  children: [
    { type: 'h1', props: {}, children: ['Hello, World!'] },
    { type: 'p', props: {}, children: ['This is a paragraph.'] },
  ],
};

可以看到，Virtual DOM就是一个普通的JavaScript对象，它描述了DOM的结构和属性。

Virtual DOM的好处:

好处	描述
减少DOM操作	将多次DOM操作合并成一次，批量更新，避免频繁的重绘和重排。
跨平台	Virtual DOM不依赖于特定的浏览器环境，可以运行在Node.js等其他环境中，实现服务端渲染（SSR）。
提高开发效率	开发者只需要关注数据变化，Virtual DOM会自动更新视图，简化了开发流程。
更好的性能优化	可以对Virtual DOM进行各种优化，例如静态节点缓存、事件委托等，进一步提高性能。

第二部分：Diff算法：火眼金睛找不同

有了Virtual DOM，我们还需要一种方法来比较新旧Virtual DOM树的差异，这就是Diff算法。Diff算法的目标是找出最小的更新量，然后将这些更新应用到真实的DOM上。

Diff算法的核心思想:

同层比较: 只比较同一层级的节点，避免跨层级的比较，因为跨层级的DOM操作代价很高。
Key的重要性: 通过Key来识别节点，判断节点是否是同一个节点。
最小更新: 只更新变化的部分，而不是整个DOM树。

Diff算法的关键步骤:

生成新的Virtual DOM: 当数据发生变化时，重新生成一个新的Virtual DOM树。
比较新旧Virtual DOM: 从根节点开始，逐层比较新旧Virtual DOM树的节点。
记录差异: 将差异记录下来，例如节点类型改变、属性改变、子节点改变等。
应用差异: 根据记录的差异，更新真实的DOM。

Diff算法的比较策略：

节点类型不同: 如果新旧节点的类型不同，直接替换整个节点。
节点类型相同，Key不同: 也认为是不同的节点，直接替换整个节点。
节点类型相同，Key相同: 认为是同一个节点，比较属性和子节点。

Diff算法的示例（简化版）：

假设我们有以下两个Virtual DOM树：

// 旧的Virtual DOM
const oldVDOM = {
  type: 'div',
  props: { id: 'container' },
  children: [
    { type: 'h1', props: {}, children: ['Hello'] },
    { type: 'p', props: {}, children: ['World'] },
  ],
};

// 新的Virtual DOM
const newVDOM = {
  type: 'div',
  props: { id: 'container' },
  children: [
    { type: 'h2', props: {}, children: ['Hello'] }, // h1 -> h2
    { type: 'p', props: { style: 'color: red' }, children: ['World'] }, // style changed
    { type: 'span', props: {}, children: ['!'] }, // new element
  ],
};

Diff算法会按照以下步骤进行比较：

比较根节点： oldVDOM.type === newVDOM.type && oldVDOM.props.id === newVDOM.props.id，根节点相同，继续比较子节点。
比较第一个子节点： oldVDOM.children[0].type === newVDOM.children[0].type (h1 vs h2)，类型不同，需要替换整个节点。
比较第二个子节点： oldVDOM.children[1].type === newVDOM.children[1].type (p vs p)，类型相同，比较props，发现newVDOM.children[1].props.style发生了变化，需要更新style属性。
发现新的子节点： newVDOM.children[2]，是新增的节点，需要添加到DOM中。

Diff算法的优化：

Key的使用: Key是Diff算法中非常重要的一个概念，它可以帮助Diff算法更准确地识别节点，减少不必要的更新。如果没有Key，Diff算法可能会误判节点，导致性能下降。例如，当列表中的元素顺序发生变化时，如果没有Key，Diff算法会认为所有的节点都发生了变化，需要重新创建和删除节点。但是，如果使用了Key，Diff算法就可以识别出哪些节点只是位置发生了变化，只需要移动节点即可。
```
// 不好的写法
<ul>
  {items.map((item) => (
    <li>{item.name}</li>
  ))}
</ul>

// 好的写法
<ul>
  {items.map((item) => (
    <li key={item.id}>{item.name}</li>
  ))}
</ul>
```
静态节点标记: 如果一个节点的内容和属性在渲染过程中不会发生变化，可以将其标记为静态节点，Diff算法会跳过对静态节点的比较，提高性能。
事件委托: 将事件监听器绑定到父节点上，而不是每个子节点上，减少事件监听器的数量，提高性能。

第三部分：代码实战：自己动手丰衣足食

光说不练假把式，咱们用JS手撸一个简化版的Virtual DOM和Diff算法，加深理解。

1. 创建Virtual DOM:

// 创建元素
function createElement(type, props, ...children) {
  return {
    type,
    props: props || {},
    children: children.map((child) =>
      typeof child === 'string' ? createTextElement(child) : child
    ),
  };
}

// 创建文本节点
function createTextElement(text) {
  return {
    type: 'TEXT_ELEMENT',
    props: { nodeValue: text },
    children: [],
  };
}

使用示例:

const element = createElement(
  'div',
  { id: 'root' },
  createElement('h1', {}, 'Hello, World!'),
  createElement('p', {}, 'This is a paragraph.')
);

console.log(element);

2. 渲染Virtual DOM到真实DOM:

function render(vdom, container) {
  const dom =
    vdom.type === 'TEXT_ELEMENT'
      ? document.createTextNode('')
      : document.createElement(vdom.type);

  // 设置属性
  Object.keys(vdom.props).forEach((key) => {
    dom[key] = vdom.props[key];
  });

  // 渲染子节点
  vdom.children.forEach((child) => render(child, dom));

  container.appendChild(dom);
}

使用示例:

const container = document.getElementById('root');
render(element, container);

3. 简化版的Diff算法:

function updateDom(dom, prevProps, nextProps) {
  // 删除旧的props
  Object.keys(prevProps)
    .filter((name) => name !== 'children')
    .filter((name) => !(name in nextProps))
    .forEach((name) => {
      dom[name] = '';
    });

  // 设置新的props
  Object.keys(nextProps)
    .filter((name) => name !== 'children')
    .filter((name) => prevProps[name] !== nextProps[name])
    .forEach((name) => {
      dom[name] = nextProps[name];
    });
}

function diff(oldVDOM, newVDOM, container) {
  // 1. 如果新的VDOM不存在，删除旧的DOM
  if (!newVDOM) {
    return dom.removeChild(container);
  }

  // 2. 如果旧的VDOM不存在，创建新的DOM
  if (!oldVDOM) {
    const newDOM =
      newVDOM.type === 'TEXT_ELEMENT'
        ? document.createTextNode('')
        : document.createElement(newVDOM.type);
    updateDom(newDOM, {}, newVDOM.props);
    newVDOM.children.forEach((child) => diff(null, child, newDOM));
    return container.appendChild(newDOM);
  }

  // 3. 如果类型不同，直接替换
  if (oldVDOM.type !== newVDOM.type) {
    const newDOM =
      newVDOM.type === 'TEXT_ELEMENT'
        ? document.createTextNode('')
        : document.createElement(newVDOM.type);
    updateDom(newDOM, {}, newVDOM.props);
    newVDOM.children.forEach((child) => diff(null, child, newDOM));
    return container.replaceChild(newDOM, container.firstChild);
  }

  // 4. 类型相同，更新props
  if (oldVDOM.type === newVDOM.type) {
    updateDom(container, oldVDOM.props, newVDOM.props);
    // 比较子节点（这里只是简单的遍历比较，没有使用Key）
    const maxLength = Math.max(
      oldVDOM.children.length,
      newVDOM.children.length
    );
    for (let i = 0; i < maxLength; i++) {
      diff(oldVDOM.children[i], newVDOM.children[i], container.childNodes[i]);
    }
  }
}

使用示例:

// 第一次渲染
const oldVDOM = createElement(
  'div',
  { id: 'root' },
  createElement('h1', {}, 'Hello, World!'),
  createElement('p', {}, 'This is a paragraph.')
);
const container = document.getElementById('root');
render(oldVDOM, container);

// 数据变化，生成新的VDOM
const newVDOM = createElement(
  'div',
  { id: 'root' },
  createElement('h2', {}, 'Hello, React!'),
  createElement('p', { style: 'color: red' }, 'This is a paragraph.')
);

// 进行Diff和更新
diff(oldVDOM, newVDOM, container);

代码说明:

createElement函数用于创建Virtual DOM节点。
render函数用于将Virtual DOM渲染到真实的DOM。
diff函数用于比较新旧Virtual DOM的差异，并更新真实的DOM。
updateDom 函数用于更新DOM节点的属性。

总结:

Virtual DOM和Diff算法是React/Vue等框架提升渲染性能的关键技术。通过将DOM操作批量化，减少浏览器的重绘和重排，可以显著提高页面的渲染速度。

重要提示:

我们这里提供的代码只是一个简化版的实现，真实的Virtual DOM和Diff算法要复杂得多，包含了更多的优化策略。
理解Virtual DOM和Diff算法的核心思想，比记住具体的代码实现更重要。
在实际开发中，我们通常不需要自己实现Virtual DOM和Diff算法，而是直接使用框架提供的API。

结语:

今天我们一起深入了解了Virtual DOM和Diff算法，希望大家对它们有了更清晰的认识。记住，技术是为业务服务的，理解原理才能更好地运用技术，创造价值。下次面试的时候，再也不怕被问到Virtual DOM了！咱们下课！

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