Vue 的虚拟 DOM（Virtual DOM）工作原理是什么？它如何通过 Diff 算法最小化真实 DOM 操作，提升渲染性能？ - 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

各位老铁，大家好！今天咱们来聊聊 Vue 里的 Virtual DOM，这玩意儿听着玄乎，其实也没那么难。咱们争取用最接地气的方式，把它的工作原理和 Diff 算法扒个精光，保证你听完之后，也能在面试的时候侃侃而谈，甚至可以自己动手撸一个简易版的 Virtual DOM 出来。

一、Virtual DOM 是个啥玩意儿？

首先，咱们得搞清楚，Virtual DOM 不是真的 DOM，它就是一个用 JavaScript 对象来描述真实 DOM 结构的东西。你可以把它想象成一个“剧本”，描述了页面上应该有哪些元素，它们的属性是什么，它们之间的关系又是什么。

为什么要有这么一个“剧本”呢？因为直接操作真实 DOM 太耗性能了！真实 DOM 就像一头笨重的恐龙，每次修改都要牵一发而动全身，浏览器要重新计算布局、重绘等等，非常费劲。而 Virtual DOM 就像一个轻量级的“演员”，你可以随便修改它，改完之后，再把修改同步到真实 DOM 上，这样就能大大提升性能。

举个例子，假设我们要把一个 <div> 元素的文本从 "Hello" 改成 "World"。

直接操作 DOM： 浏览器会立即更新真实 DOM，触发重绘。
使用 Virtual DOM： 我们先修改 Virtual DOM 中对应节点的文本，然后 Vue 会比较新旧 Virtual DOM，找出差异，最后只更新真实 DOM 中需要修改的部分。

二、Virtual DOM 的结构

Virtual DOM 本质上就是一个 JavaScript 对象，用来描述 DOM 树的结构。一个 Virtual DOM 节点通常包含以下属性：

属性	说明	示例
`tag`	标签名，例如 `div`、`p`、`span` 等。	`'div'`
`props`	属性，一个对象，包含节点的属性和值。	`{ id: 'my-div', class: 'container' }`
`children`	子节点，一个数组，包含子节点的 Virtual DOM 节点。	`[ { tag: 'p', props: {}, children: ['Hello'] }, { tag: 'p', props: {}, children: ['World'] } ]`
`text`	文本内容，如果节点是文本节点，则该属性包含文本内容。	`'Hello'`
`key`	唯一标识符，用于 Diff 算法优化，避免不必要的 DOM 操作。这个属性非常重要，后面会详细讲。	`'unique-key'`
`elm`	对应的真实 DOM 元素，在 Virtual DOM 渲染成真实 DOM 之后，会保存真实 DOM 元素的引用。这个属性在后续的更新过程中会用到。	(HTMLElement)

下面是一个简单的 Virtual DOM 节点的例子：

{
  tag: 'div',
  props: {
    id: 'my-div',
    class: 'container'
  },
  children: [
    {
      tag: 'p',
      props: {},
      children: ['Hello']
    },
    {
      tag: 'p',
      props: {},
      children: ['World']
    }
  ]
}

这个 Virtual DOM 节点描述了一个 <div> 元素，它有一个 id 和一个 class 属性，并且包含两个 <p> 子元素，分别包含文本 "Hello" 和 "World"。

三、Virtual DOM 的渲染过程

Virtual DOM 的渲染过程可以分为以下几个步骤：

创建 Virtual DOM： Vue 组件会根据模板生成 Virtual DOM 树。
将 Virtual DOM 渲染成真实 DOM： Vue 会遍历 Virtual DOM 树，创建对应的真实 DOM 元素，并将属性和事件绑定到真实 DOM 元素上。
将真实 DOM 插入到页面中： Vue 会将创建好的真实 DOM 插入到页面中，完成页面的初始渲染。

这个过程可以用下面的伪代码来表示：

function createRealDOM(vnode) {
  // 1. 创建元素
  const elm = document.createElement(vnode.tag);

  // 2. 设置属性
  for (const key in vnode.props) {
    elm.setAttribute(key, vnode.props[key]);
  }

  // 3. 处理子节点
  if (vnode.children) {
    vnode.children.forEach(child => {
      const childElm = createRealDOM(child); // 递归创建子节点的真实 DOM
      elm.appendChild(childElm);
    });
  } else if (vnode.text) {
    // 如果是文本节点，创建文本节点
    elm.textContent = vnode.text;
  }

  // 4. 保存真实 DOM 元素的引用
  vnode.elm = elm;

  return elm;
}

四、Diff 算法：Virtual DOM 的核心

Diff 算法是 Virtual DOM 的核心，它的作用是比较新旧 Virtual DOM 树，找出差异，然后只更新真实 DOM 中需要修改的部分。这样可以避免不必要的 DOM 操作，从而提升性能。

Diff 算法的基本思想是：

只比较同一层级的节点： Diff 算法只会比较同一层级的节点，不会跨层级比较。
比较节点的类型： 如果节点的类型不同，则直接替换整个节点。
比较节点的属性： 如果节点的类型相同，则比较节点的属性，只更新属性值发生变化的属性。
比较节点的子节点： 如果节点的类型相同，属性也相同，则比较节点的子节点，递归地进行 Diff 算法。

Diff 算法的具体步骤如下：

从根节点开始比较： 从新旧 Virtual DOM 树的根节点开始比较。
比较节点类型： 如果新旧节点的 tag 不同，则直接替换旧节点为新节点。
比较节点属性： 如果新旧节点的 tag 相同，则比较它们的 props 属性。
- 如果新节点有而旧节点没有的属性，则添加该属性。
- 如果新节点没有而旧节点有的属性，则删除该属性。
- 如果新旧节点都有相同的属性，但值不同，则更新该属性的值。
比较子节点： 如果新旧节点都有子节点，则递归地比较它们的子节点。这里是 Diff 算法最复杂的部分，需要用到一些优化策略，例如 key 属性。

五、Diff 算法的优化策略：Key 属性

key 属性是 Diff 算法中非常重要的一个优化策略。它的作用是为每个节点提供一个唯一的标识符，Diff 算法可以根据 key 来判断节点是否是同一个节点，从而避免不必要的 DOM 操作。

如果没有 key 属性，Diff 算法在比较子节点时，会按照顺序逐个比较，如果子节点的顺序发生了变化，Diff 算法会将所有的子节点都重新创建和插入，导致大量的 DOM 操作。

有了 key 属性，Diff 算法就可以根据 key 来判断节点是否是同一个节点，如果只是节点的顺序发生了变化，Diff 算法只需要移动节点的位置，而不需要重新创建和插入节点，从而大大提升性能。

举个例子，假设我们有一个列表：

<ul>
  <li>Item 1</li>
  <li>Item 2</li>
  <li>Item 3</li>
</ul>

对应的 Virtual DOM 如下：

[
  { tag: 'li', props: {}, children: ['Item 1'] },
  { tag: 'li', props: {}, children: ['Item 2'] },
  { tag: 'li', props: {}, children: ['Item 3'] }
]

现在，我们将列表的顺序调整为：

<ul>
  <li>Item 3</li>
  <li>Item 1</li>
  <li>Item 2</li>
</ul>

对应的 Virtual DOM 如下：

[
  { tag: 'li', props: {}, children: ['Item 3'] },
  { tag: 'li', props: {}, children: ['Item 1'] },
  { tag: 'li', props: {}, children: ['Item 2'] }
]

如果没有 key 属性，Diff 算法会认为所有的 <li> 元素都发生了变化，需要重新创建和插入。

但是，如果我们给每个 <li> 元素添加一个 key 属性：

<ul>
  <li key="item1">Item 1</li>
  <li key="item2">Item 2</li>
  <li key="item3">Item 3</li>
</ul>

对应的 Virtual DOM 如下：

[
  { tag: 'li', props: { key: 'item1' }, children: ['Item 1'] },
  { tag: 'li', props: { key: 'item2' }, children: ['Item 2'] },
  { tag: 'li', props: { key: 'item3' }, children: ['Item 3'] }
]

调整顺序后的 Virtual DOM 如下：

[
  { tag: 'li', props: { key: 'item3' }, children: ['Item 3'] },
  { tag: 'li', props: { key: 'item1' }, children: ['Item 1'] },
  { tag: 'li', props: { key: 'item2' }, children: ['Item 2'] }
]

有了 key 属性，Diff 算法就可以根据 key 来判断节点是否是同一个节点，只需要移动 <li> 元素的位置，而不需要重新创建和插入，从而大大提升性能。

六、Diff 算法的具体实现 (简易版)

这里给出一个简易版的 Diff 算法实现，主要用于演示 Diff 算法的基本思想：

function diff(oldVnode, newVnode) {
  // 1. 如果新旧节点相同，则直接返回
  if (oldVnode === newVnode) {
    return;
  }

  // 2. 如果新旧节点的 tag 不同，则直接替换旧节点为新节点
  if (oldVnode.tag !== newVnode.tag) {
    replaceNode(oldVnode, newVnode);
    return;
  }

  // 3. 如果新旧节点的 tag 相同，则比较它们的属性
  const elm = oldVnode.elm; // 获取旧节点的真实 DOM 元素
  const oldProps = oldVnode.props;
  const newProps = newVnode.props;

  // 3.1 更新属性
  for (const key in newProps) {
    if (oldProps[key] !== newProps[key]) {
      elm.setAttribute(key, newProps[key]);
    }
  }

  // 3.2 删除旧的属性
  for (const key in oldProps) {
    if (!(key in newProps)) {
      elm.removeAttribute(key);
    }
  }

  // 4. 比较子节点
  const oldChildren = oldVnode.children;
  const newChildren = newVnode.children;

  if (oldChildren && newChildren) {
    // 都有子节点，则递归比较子节点
    updateChildren(elm, oldChildren, newChildren);
  } else if (newChildren) {
    // 只有新节点有子节点，则添加子节点
    newChildren.forEach(child => {
      const childElm = createRealDOM(child);
      elm.appendChild(childElm);
    });
  } else if (oldChildren) {
    // 只有旧节点有子节点，则删除子节点
    oldChildren.forEach(child => {
      elm.removeChild(child.elm);
    });
  }
}

// 替换节点
function replaceNode(oldVnode, newVnode) {
  const elm = oldVnode.elm;
  const parentElm = elm.parentNode;
  const newElm = createRealDOM(newVnode);
  parentElm.replaceChild(newElm, elm);
}

// 更新子节点
function updateChildren(parentElm, oldChildren, newChildren) {
  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
      diff(oldStartVnode, newStartVnode);
      oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIdx];
      newStartVnode = newChildren[++newStartIdx];
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
      // 尾尾比较
      diff(oldEndVnode, newEndVnode);
      oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIdx];
      newEndVnode = newChildren[--newEndIdx];
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) {
      // 头尾比较
      diff(oldStartVnode, newEndVnode);
      parentElm.insertBefore(oldStartVnode.elm, oldEndVnode.elm.nextSibling);
      oldStartVnode = oldChildren[++oldStartIdx];
      newEndVnode = newChildren[--newEndIdx];
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) {
      // 尾头比较
      diff(oldEndVnode, newStartVnode);
      parentElm.insertBefore(oldEndVnode.elm, oldStartVnode.elm);
      oldEndVnode = oldChildren[--oldEndIdx];
      newStartVnode = newChildren[++newStartIdx];
    } else {
      // 都不匹配，则查找旧节点中是否存在与新节点相同的节点
      const keyToIdx = createKeyToOldIdx(oldChildren, oldStartIdx, oldEndIdx);
      const idxInOld = keyToIdx[newStartVnode.key];

      if (!idxInOld) {
        // 旧节点中不存在与新节点相同的节点，则创建新节点
        const newElm = createRealDOM(newStartVnode);
        parentElm.insertBefore(newElm, oldStartVnode.elm);
        newStartVnode = newChildren[++newStartIdx];
      } else {
        // 旧节点中存在与新节点相同的节点，则移动节点
        const elmToMove = oldChildren[idxInOld];
        diff(elmToMove, newStartVnode);
        oldChildren[idxInOld] = undefined;
        parentElm.insertBefore(elmToMove.elm, oldStartVnode.elm);
        newStartVnode = newChildren[++newStartIdx];
      }
    }
  }

  // 处理剩余的旧节点
  if (oldStartIdx <= oldEndIdx) {
    for (let i = oldStartIdx; i <= oldEndIdx; i++) {
      if (oldChildren[i]) {
        parentElm.removeChild(oldChildren[i].elm);
      }
    }
  }

  // 处理剩余的新节点
  if (newStartIdx <= newEndIdx) {
    for (let i = newStartIdx; i <= newEndIdx; i++) {
      const newElm = createRealDOM(newChildren[i]);
      parentElm.appendChild(newElm);
    }
  }
}

// 判断两个节点是否相同
function sameVnode(oldVnode, newVnode) {
  return oldVnode.key === newVnode.key && oldVnode.tag === newVnode.tag;
}

// 创建 key 到 index 的映射
function createKeyToOldIdx(children, beginIdx, endIdx) {
  const map = {};
  for (let i = beginIdx; i <= endIdx; ++i) {
    const key = children[i].key;
    if (key !== undefined) {
      map[key] = i;
    }
  }
  return map;
}

这个简易版的 Diff 算法只实现了最基本的功能，例如比较节点类型、比较属性、比较子节点等。它没有实现一些高级的优化策略，例如 key 属性、移动节点等。但是，它可以帮助你理解 Diff 算法的基本思想。

七、总结

Virtual DOM 是 Vue 中非常重要的一个概念，它可以大大提升页面的渲染性能。Diff 算法是 Virtual DOM 的核心，它的作用是比较新旧 Virtual DOM 树，找出差异，然后只更新真实 DOM 中需要修改的部分。key 属性是 Diff 算法中非常重要的一个优化策略，它可以帮助 Diff 算法更准确地判断节点是否是同一个节点，从而避免不必要的 DOM 操作。

希望今天的讲解能够帮助你理解 Virtual DOM 和 Diff 算法的工作原理。如果你想深入了解 Virtual DOM 和 Diff 算法，可以阅读 Vue 的官方文档，或者参考一些相关的书籍和文章。

记住，理解 Virtual DOM 和 Diff 算法是成为 Vue 大佬的必经之路！加油，各位老铁！

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