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探讨 Vue 2 中的 `patch` 函数如何通过递归遍历 VNode 树来执行 DOM 更新，以及其性能瓶颈。

Vue 2 Patch 函数：VNode 树的 DOM 更新魔术与性能的阿喀琉斯之踵

各位观众老爷们，大家好！今天咱们不聊风花雪月，也不谈人生理想，就来扒一扒 Vue 2 源码中一个至关重要的函数——patch。这玩意儿可以说是 Vue 2 虚拟 DOM 机制的核心引擎，负责把虚拟 DOM 树的变化同步到真实的 DOM 上。

咱们今天就来深入了解一下这个 patch 函数是如何通过递归遍历 VNode 树来执行 DOM 更新的，以及它潜在的性能瓶颈，最后再简单聊聊优化的思路。

VNode：虚拟 DOM 的蓝图

在深入 patch 之前，我们需要先搞清楚什么是 VNode。简单来说，VNode 就是一个 JavaScript 对象，它描述了 DOM 元素应该是什么样子。它可以代表一个 HTML 标签、一段文本、甚至是一个组件。

// 一个简单的 VNode 例子，代表一个 <h1> 标签
const vnode = {
  tag: 'h1',
  data: {
    attrs: {
      id: 'my-title'
    }
  },
  children: [
    'Hello, Vue!'
  ]
};

这个 VNode 对象告诉我们，我们需要创建一个 <h1> 标签，它的 id 属性是 my-title，并且包含文本内容 "Hello, Vue!"。

Patch 函数：DOM 更新的指挥官

patch 函数的作用就是比较新旧两棵 VNode 树，找出它们之间的差异，然后根据这些差异来更新真实的 DOM。这个过程就像一个指挥官，拿着两份建筑蓝图（新旧 VNode 树），指挥工人（DOM 操作）把旧房子改造成新房子。

patch 函数的基本流程如下：

  1. 判断是否是相同的 VNode： 如果新旧 VNode 是同一个节点 (key 相同且 selector 相同)，则进行下一步，否则创建一个新的节点替换旧的节点。
  2. 处理文本节点： 如果新旧 VNode 都是文本节点，并且文本内容不同，则直接更新文本内容。
  3. 处理元素节点： 如果新旧 VNode 都是元素节点，则进行下一步。
  4. 更新属性： 比较新旧 VNode 的属性 (attrs, style, class 等)，更新 DOM 元素的属性。
  5. 更新子节点： 比较新旧 VNode 的子节点，递归调用 patch 函数来更新子节点。

递归遍历：深入 VNode 树的迷宫

patch 函数最关键的部分就是如何比较和更新子节点。Vue 2 采用了一种称为“双端 Diff”的算法，结合递归遍历来实现高效的子节点更新。

我们来看一个简化的 patch 函数的实现：

function patch(oldVnode, vnode) {
  if (!oldVnode) {
    // 创建新的 DOM 元素
    return createElm(vnode);
  }

  if (!vnode) {
    // 移除旧的 DOM 元素
    return removeVnode(oldVnode);
  }

  if (sameVnode(oldVnode, vnode)) {
    // 是同一个 VNode，进行 patch
    patchVnode(oldVnode, vnode);
  } else {
    // 不是同一个 VNode，替换
    const elm = createElm(vnode);
    const parentElm = oldVnode.elm.parentNode;
    parentElm.insertBefore(elm, oldVnode.elm);
    removeVnode(oldVnode);
  }
  return vnode.elm;
}

function sameVnode(a, b) {
  return (
    a.key === b.key &&
    a.tag === b.tag
    // 可以添加更多判断条件
  );
}

function patchVnode(oldVnode, vnode) {
  const elm = vnode.elm = oldVnode.elm; // 复用旧的 DOM 元素

  if (oldVnode === vnode) {
    return;
  }

  // 处理文本节点
  if (vnode.text) {
    if (oldVnode.text !== vnode.text) {
      elm.textContent = vnode.text;
    }
  } else {
    // 处理元素节点
    updateProperties(oldVnode, vnode); // 更新属性
    updateChildren(elm, oldVnode.children, vnode.children); // 更新子节点
  }
}

function updateChildren(parentElm, oldCh, newCh) {
  let oldStartIdx = 0;
  let newStartIdx = 0;
  let oldEndIdx = oldCh.length - 1;
  let newEndIdx = newCh.length - 1;
  let oldStartVnode = oldCh[oldStartIdx];
  let newStartVnode = newCh[newStartIdx];
  let oldEndVnode = oldCh[oldEndIdx];
  let newEndVnode = newCh[newEndIdx];
  let keyToOldIdx, idxInOld, vnodeToMove, elmToMove, refElm;

  while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {

    if (!oldStartVnode) {
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]; // Vnode might have been moved left
    } else if (!oldEndVnode) {
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx];
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
      patch(oldStartVnode, newStartVnode);
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx];
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx];
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
      patch(oldEndVnode, newEndVnode);
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx];
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx];
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) { // Vnode moved right
      patch(oldStartVnode, newEndVnode);
      parentElm.insertBefore(oldStartVnode.elm, oldEndVnode.elm.nextSibling);
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx];
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx];
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) { // Vnode moved left
      patch(oldEndVnode, newStartVnode);
      parentElm.insertBefore(oldEndVnode.elm, oldStartVnode.elm);
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx];
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx];
    } else {
      // 创建新的 VNode
      if (!keyToOldIdx) {
        keyToOldIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx);
      }
      idxInOld = keyToOldIdx[newStartVnode.key];
      if (!idxInOld) { // New element
        parentElm.insertBefore(createElm(newStartVnode), oldStartVnode.elm);
        newStartVnode = newCh[++newStartIdx];
      } else {
        vnodeToMove = oldCh[idxInOld];
        if (sameVnode(vnodeToMove, newStartVnode)) {
          patch(vnodeToMove, newStartVnode);
          oldCh[idxInOld] = undefined;
          parentElm.insertBefore(vnodeToMove.elm, oldStartVnode.elm);
          newStartVnode = newCh[++newStartIdx];
        } else {
          // same key but different element. treat as new element
          parentElm.insertBefore(createElm(newStartVnode), oldStartVnode.elm);
          newStartVnode = newCh[++newStartIdx];
        }
      }
    }
  }

  if (oldStartIdx > oldEndIdx) {
    refElm = newCh[newEndIdx + 1] ? newCh[newEndIdx + 1].elm : null;
    addVnodes(parentElm, refElm, newCh, newStartIdx, newEndIdx);
  } else if (newStartIdx > newEndIdx) {
    removeVnodes(parentElm, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx);
  }
}

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

function createElm(vnode) {
  // 创建真实的 DOM 元素
  const elm = document.createElement(vnode.tag);
  vnode.elm = elm; // 记录对应的 DOM 元素

  // 处理属性
  if (vnode.data) {
    for (const key in vnode.data.attrs) {
      elm.setAttribute(key, vnode.data.attrs[key]);
    }
  }

  // 处理子节点
  if (vnode.children) {
    for (const child of vnode.children) {
      elm.appendChild(createElm(child)); // 递归创建子节点
    }
  }
  return elm;
}

function removeVnode(vnode) {
    const parent = vnode.elm.parentNode;
    if (parent) {
        parent.removeChild(vnode.elm);
    }
}

function addVnodes(parentElm, refElm, vnodes, startIdx, endIdx) {
  for (; startIdx <= endIdx; ++startIdx) {
    parentElm.insertBefore(createElm(vnodes[startIdx]), refElm);
  }
}

function removeVnodes(parentElm, vnodes, startIdx, endIdx) {
  for (; startIdx <= endIdx; ++startIdx) {
    const ch = vnodes[startIdx];
    if (ch) {
      removeVnode(ch);
    }
  }
}

function updateProperties(oldVnode, vnode) {
  const elm = vnode.elm;
  const oldProps = oldVnode.data ? oldVnode.data.attrs : {};
  const newProps = vnode.data ? vnode.data.attrs : {};

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

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

在 updateChildren 函数中，我们可以看到双端 Diff 算法的身影。它会同时从新旧子节点列表的两端开始比较，尝试找出相同的节点。如果找到了，就递归调用 patch 函数来更新这些节点。如果没有找到，就创建新的节点或者移动已有的节点。

双端 Diff 的优势在于，它可以有效地处理以下几种常见的 DOM 更新场景：

  • 头部/尾部添加/删除节点： 通过比较两端的节点，可以快速地检测到这些变化。
  • 节点移动： 通过比较节点的 key，可以判断节点是否被移动了位置。

性能瓶颈：递归的代价

虽然双端 Diff 算法在大多数情况下都能提供不错的性能，但它仍然存在一些潜在的性能瓶颈。

  • 递归深度： patch 函数是一个递归函数。如果 VNode 树的层级很深，递归调用就会变得很频繁，这可能会导致栈溢出或者性能下降。
  • 大量 DOM 操作： 即使使用了 Diff 算法，仍然需要执行大量的 DOM 操作来更新真实的 DOM。DOM 操作的开销是很大的，尤其是在复杂的应用中。
  • 没有 Key 的列表： 如果列表渲染时没有提供 key， Vue 会尽可能的原地复用节点，导致性能下降。所以，建议在列表渲染时提供 key。

为了更直观地展示这些瓶颈，我们可以用一个表格来总结：

瓶颈 描述 影响
递归深度 VNode 树的层级很深，导致递归调用频繁。 栈溢出，性能下降。
大量 DOM 操作 即使使用了 Diff 算法，仍然需要执行大量的 DOM 操作。 性能下降。
列表无 Key 在列表渲染时没有提供 key, Vue会尽可能原地复用节点导致性能下降 大量的节点更新，导致不必要的 DOM 操作，性能下降。

优化思路：扬长避短

既然我们知道了 patch 函数的性能瓶颈，那么就可以针对这些瓶颈进行优化。

  • 减少 VNode 树的层级： 尽量扁平化组件结构，避免创建过深的 VNode 树。
  • 使用 key 属性： 在列表渲染时，一定要使用 key 属性。key 属性可以帮助 Vue 识别相同的节点，从而避免不必要的 DOM 操作。
  • 组件级别的优化： 使用 shouldComponentUpdate 或 Vue.memo 来控制组件的更新，避免不必要的渲染。
  • 避免不必要的属性更新： 只有当属性真正发生变化时，才更新 DOM 元素的属性。
  • 使用异步更新： Vue 会将 DOM 更新操作放到一个队列中，然后在下一个事件循环中执行。这可以减少 DOM 操作的次数。

我们来举个例子，假设我们有一个列表，列表中的每个元素都有一个唯一的 id 属性。我们可以这样渲染这个列表：

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

通过使用 item.id 作为 key 属性，Vue 可以快速地识别出列表中的元素是否被移动、添加或者删除。这可以大大提高列表渲染的性能。

总结：理解与权衡

patch 函数是 Vue 2 虚拟 DOM 机制的核心，它通过递归遍历 VNode 树来实现 DOM 更新。虽然双端 Diff 算法可以有效地提高更新效率，但仍然存在一些潜在的性能瓶颈。

作为一名合格的 Vue 开发者，我们需要理解 patch 函数的工作原理，了解它的优缺点，并根据实际情况选择合适的优化策略。

记住，没有银弹。所有的优化都是有代价的。我们需要在性能、代码复杂度和可维护性之间做出权衡。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家能够对 Vue 2 的 patch 函数有更深入的了解。下次再见！

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