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阐述 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。

各位观众，早上好/下午好/晚上好！ 欢迎来到今天的“Vue 2 源码解剖”特别节目。今天，我们来聊聊 Vue 2 的核心秘密之一：patch 函数。这玩意儿，可以说是 Vue 虚拟 DOM 更新的发动机，负责将我们的数据变化反映到真实的 DOM 上。

咱们今天不搞玄乎的概念，直接扒代码，边讲边看，力求让大家彻底搞懂 patch 的工作原理和潜在的性能瓶颈。

开场白：什么是 VNode？ 为什么需要 patch？

首先，我们需要明确两个概念：VNode (Virtual Node) 和 patch 函数。

VNode，顾名思义，就是虚拟节点，是 Vue 对真实 DOM 节点的一个 JavaScript 对象描述。它包含了 DOM 节点的所有必要信息，比如标签名、属性、子节点等等。

为什么要用 VNode 呢？ 因为直接操作 DOM 效率太低了！ 想象一下，每次数据变化都直接修改 DOM，浏览器得不停地重绘重排，性能肯定扛不住。 VNode 的出现就是为了解决这个问题。 Vue 会先在内存中构建一个 VNode 树，当数据变化时，先对比新旧 VNode 树的差异，然后只更新需要更新的部分 DOM，从而大大提高性能。

而 patch 函数，就是负责将新旧 VNode 树进行对比 (diff) 并更新 DOM 的核心部件。简单来说，它就是个辛勤的园丁，负责修剪 VNode 树，并将修剪后的结果应用到真实的 DOM 树上。

patch 函数的总体流程： 递归遍历，精细对比

patch 函数的核心思想是：递归遍历 VNode 树，逐层对比节点，并根据差异进行相应的 DOM 操作。

整个流程大致可以分为以下几个步骤：

  1. 判断新旧 VNode 是否相同： 如果新旧 VNode 是同一个节点 (key 相同，且选择器相同)，则进入下一步；否则，直接用新的 VNode 替换旧的 VNode。
  2. 对比节点属性： 如果新旧 VNode 是同一个节点，则对比它们的属性，并更新 DOM 节点的属性。
  3. 对比子节点： 如果新旧 VNode 是同一个节点，并且都有子节点，则递归调用 patch 函数来对比子节点。

为了方便理解，我们先来看一个简化的 patch 函数的伪代码：

function patch(oldVNode, newVNode, parentElm) {
  // 1. 判断新旧 VNode 是否相同
  if (isSameVNode(oldVNode, newVNode)) {
    // 2. 对比节点属性
    patchVNode(oldVNode, newVNode);
  } else {
    // 3. 新旧 VNode 不是同一个节点，直接替换
    const newElm = createElm(newVNode); // 创建新的 DOM 元素
    parentElm.replaceChild(newElm, oldVNode.elm); // 替换旧的 DOM 元素
    destroyVNode(oldVNode); // 销毁旧的 VNode
  }
}

function isSameVNode(oldVNode, newVNode) {
  return (
    oldVNode.key === newVNode.key && oldVNode.sel === newVNode.sel // key 和选择器相同
  );
}

function patchVNode(oldVNode, newVNode) {
  const elm = (newVNode.elm = oldVNode.elm); // 复用旧的 DOM 元素

  // 对比文本节点
  if (newVNode.text) {
    if (oldVNode.text !== newVNode.text) {
      elm.textContent = newVNode.text;
    }
  } else {
    // 对比子节点
    updateChildren(elm, oldVNode.children, newVNode.children);
  }
}

function updateChildren(parentElm, oldChildren, newChildren) {
  // 这里是 diff 算法的核心，后面会详细讲解
  // ...
}

function createElm(vnode) {
  // 创建 DOM 元素
  // ...
}

function destroyVNode(vnode) {
  // 销毁 VNode
  // ...
}

这个伪代码只是一个简化版本，省略了很多细节。 但是，它已经能够帮助我们理解 patch 函数的基本流程： 递归遍历，逐层对比，并根据差异进行相应的 DOM 操作。

深入 patch 函数：源码剖析

接下来，我们深入到 Vue 2 的源码中，看看 patch 函数的具体实现。 Vue 2 的 patch 函数位于 src/core/vdom/patch.js 文件中。

由于 patch 函数的代码比较长，我们这里只选取关键部分进行讲解。

function createPatchFunction (backend) {
  let i, j
  const cbs = {}

  const { modules, nodeOps } = backend

  // ... 省略了很多辅助函数

  return function patch (oldVnode, vnode, hydrating, removeOnly) {
    // ... 省略了很多边界情况的处理

    const isRealElement = isDef(oldVnode.nodeType)

    if (!isRealElement && sameVnode(oldVnode, vnode)) {
      // patch existing root node
      patchVnode(oldVnode, vnode, hydrating, removeOnly)
    } else {
      if (isRealElement) {
        // mounting to a real element
        // check if this is server-rendered content and if we can perform
        // hydration.
        if (oldVnode) {
          if (hydrate) {
            if (hydrate(oldVnode, vnode, insertedVnodeQueue)) {
              return invokeInsertHook(vnode, insertedVnodeQueue, true)
            }
          }
          // either not server-rendered, or hydration failed.
          // create an empty node and replace it
          oldVnode = emptyNodeAt(oldVnode)
        }

        // replacing existing element
        const oldElm = oldVnode
        const parentElm = nodeOps.parentNode(oldElm)

        // create new node
        createElm(
          vnode,
          insertedVnodeQueue,
          // extremely rare edge case: do not insert new element if the
          // parent already has pending directive insertions.
          oldElm._leaveCb ? null : parentElm,
          nodeOps.nextSibling(oldElm)
        )

        // componentRoot hook is called in insertedVnodeQueue when mounting the root.
        if (isDef(vnode.parent)) {
          let elm = vnode.elm
          let parent = vnode.parent
          while (parent) {
            parent.elm = vnode.elm
            parent = parent.parent
          }
          if (createComponent(vnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldElm, removeOnly)) {
            return
          }

        }
        if (isDef(parentElm)) {
          nodeOps.insertBefore(parentElm, vnode.elm, nodeOps.nextSibling(oldElm))
          removeVnodes([oldVnode], 0, 0)
        } else if (isDef(oldVnode.tag)) {
          invokeDestroyHook(oldVnode)
        }
      } else {
        // replacing existing node
        const oldElm = oldVnode.elm
        const parentElm = nodeOps.parentNode(oldElm)

        // create new node
        createElm(
          vnode,
          insertedVnodeQueue,
          parentElm,
          nodeOps.nextSibling(oldElm)
        )

        // destroy old node
        if (isDef(parentElm)) {
          removeVnodes([oldVnode], 0, 0)
        } else if (isDef(oldVnode.tag)) {
          invokeDestroyHook(oldVnode)
        }
      }
    }

    invokeInsertHook(vnode, insertedVnodeQueue, isRealElement)
    return vnode.elm
  }
}

这个 patch 函数接收四个参数：

  • oldVnode: 旧的 VNode
  • vnode: 新的 VNode
  • hydrating: 是否是服务端渲染
  • removeOnly: 是否只删除节点

函数首先判断新旧 VNode 是否是同一个节点 (sameVnode 函数)，如果是，则调用 patchVnode 函数进行更细致的对比和更新；否则，直接用新的 VNode 替换旧的 VNode。

patchVnode 函数的代码如下：

function patchVnode (oldVnode, vnode, hydrating, removeOnly) {
  if (oldVnode === vnode) {
    return
  }

  if (isDef(vnode.elm) && isDef(oldVnode)) {
    vnode.elm = oldVnode.elm
  }

  const elm = vnode.elm

  const oldCh = oldVnode.children
  const ch = vnode.children
  if (isUndef(vnode.text)) {
    if (isDef(oldCh) && isDef(ch)) {
      if (oldCh !== ch) updateChildren(elm, oldCh, ch, removeOnly)
    } else if (isDef(ch)) {
      if (isDef(oldVnode.text)) nodeOps.setTextContent(elm, '')
      addVnodes(elm, null, ch, 0, ch.length - 1)
    } else if (isDef(oldCh)) {
      removeVnodes(oldCh, 0, oldCh.length - 1)
    } else if (isDef(oldVnode.text)) {
      nodeOps.setTextContent(elm, '')
    }
  } else if (oldVnode.text !== vnode.text) {
    nodeOps.setTextContent(elm, vnode.text)
  }
}

patchVnode 函数的核心逻辑是：

  1. 对比文本节点： 如果新 VNode 是文本节点，则直接更新 DOM 节点的文本内容。
  2. 对比子节点： 如果新旧 VNode 都有子节点，则调用 updateChildren 函数来对比和更新子节点。

updateChildren 函数是整个 patch 函数中最复杂的部分，也是 Vue 2 diff 算法的核心。 它的作用是：高效地对比新旧子节点列表，并根据差异进行相应的 DOM 操作。

Diff 算法：高效对比子节点

updateChildren 函数采用了经典的 双端 Diff 算法，其核心思想是：

  1. 同时从新旧子节点列表的两端开始比较。
  2. 根据不同的情况，移动、插入、删除节点。
  3. 直到新旧子节点列表都遍历完毕。

双端 Diff 算法能够有效地处理以下几种情况：

  • 新旧子节点列表的头部或尾部有相同的节点。
  • 新节点需要插入到旧子节点列表的头部或尾部。
  • 旧节点需要从旧子节点列表的头部或尾部删除。

updateChildren 函数的代码如下 (简化版):

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

  while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {
    if (isUndef(oldStartVnode)) {
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx] // Vnode has been moved left
    } else if (isUndef(oldEndVnode)) {
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
      patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode, removeOnly)
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
      patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode, removeOnly)
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) { // Vnode moved right
      patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode, removeOnly)
      nodeOps.insertBefore(parentElm, oldStartVnode.elm, nodeOps.nextSibling(oldEndVnode.elm))
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) { // Vnode moved left
      patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode, removeOnly)
      nodeOps.insertBefore(parentElm, oldEndVnode.elm, oldStartVnode.elm)
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    } else {
      if (isUndef(oldKeyToIdx)) oldKeyToIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
      idxInOld = isDef(newStartVnode.key) ? oldKeyToIdx[newStartVnode.key] : null
      if (isUndef(idxInOld)) { // New element
        createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm, removeOnly)
        newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
      } else {
        vnodeToMove = oldCh[idxInOld]
        if (sameVnode(vnodeToMove, newStartVnode)) {
          patchVnode(vnodeToMove, newStartVnode, removeOnly)
          oldCh[idxInOld] = undefined
          nodeOps.insertBefore(parentElm, vnodeToMove.elm, oldStartVnode.elm)
          newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
        } else {
          // same key but different element. treat as new element
          createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm, removeOnly)
          newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
        }
      }
    }
  }
  if (oldStartIdx > oldEndIdx) {
    refElm = isUndef(newCh[newEndIdx + 1]) ? null : newCh[newEndIdx + 1].elm
    addVnodes(parentElm, refElm, newCh, newStartIdx, newEndIdx, insertedVnodeQueue)
  } else if (newStartIdx > newEndIdx) {
    removeVnodes(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
  }
}

这段代码的核心是 while 循环，它会不断地从新旧子节点列表的两端开始比较，并根据不同的情况进行相应的 DOM 操作。

举个例子：

假设我们有以下两个子节点列表：

  • oldCh: [A, B, C, D, E]
  • newCh: [A, B, E, F, G]

updateChildren 函数的执行流程如下：

  1. oldStartVnode = A, newStartVnode = A, sameVnode 返回 true，patchVnode(A, A)，oldStartIdx++, newStartIdx++
  2. oldStartVnode = B, newStartVnode = B, sameVnode 返回 true，patchVnode(B, B)，oldStartIdx++, newStartIdx++
  3. oldStartVnode = C, newStartVnode = E, sameVnode 返回 false
  4. oldEndVnode = E, newEndVnode = G, sameVnode 返回 false
  5. oldStartVnode = C, newEndVnode = G, sameVnode 返回 false
  6. oldEndVnode = E, newStartVnode = E, sameVnode 返回 true，patchVnode(E, E)，nodeOps.insertBefore(parentElm, E.elm, C.elm)，oldEndIdx--, newStartIdx++
  7. oldStartVnode = C, newStartVnode = F, sameVnode 返回 false
  8. oldEndVnode = D, newEndVnode = G, sameVnode 返回 false

接下来，由于找不到相同的节点，updateChildren 函数会创建新的节点 F 和 G，并插入到 DOM 树中，然后删除旧的节点 C 和 D。

性能瓶颈：递归深度和 Diff 复杂度

虽然 Vue 2 的 patch 函数已经做了很多优化，但仍然存在一些性能瓶颈：

  1. 递归深度： patch 函数会递归遍历整个 VNode 树，如果 VNode 树的层级很深，递归深度会很大，可能导致栈溢出。
  2. Diff 复杂度： updateChildren 函数的 Diff 算法虽然很高效，但在某些情况下，其复杂度仍然会很高。 例如，如果新旧子节点列表的差异很大，或者节点没有 key，Diff 算法的效率会大大降低。

为了更清晰地说明性能瓶颈，我们用表格来总结一下：

性能瓶颈 描述 影响 优化建议
递归深度 patch 函数会递归遍历整个 VNode 树，如果 VNode 树的层级很深，递归深度会很大。 可能导致栈溢出，降低性能。 1. 尽量减少组件的嵌套层级： 避免创建过深的组件树。 2. 使用 functional 组件： functional 组件没有状态，不会创建 VNode 实例，可以减少递归深度。
Diff 复杂度 updateChildren 函数的 Diff 算法虽然很高效，但在某些情况下，其复杂度仍然会很高。 例如，如果新旧子节点列表的差异很大，或者节点没有 key，Diff 算法的效率会大大降低。 导致不必要的 DOM 操作，降低性能。 1. 为列表中的每个节点添加 key 属性： key 属性可以帮助 Vue 更准确地判断节点是否相同，从而减少不必要的 DOM 操作。 key 应该是唯一且稳定的，最好使用数据库中的 id。 2. 尽量减少列表的差异： 避免频繁地添加、删除、移动列表中的节点。 如果需要频繁地操作列表，可以考虑使用更高效的数据结构，例如链表。 3. 使用 v-if 代替 v-show： 对于不经常显示的元素，使用 v-if 可以避免创建不必要的 VNode。 v-show 只是简单地切换元素的 display 属性，而 v-if 会真正地创建或销毁元素。 4. 使用 computed 属性： 将复杂的计算逻辑放在 computed 属性中，可以避免在模板中进行大量的计算。 computed 属性具有缓存机制，只有当依赖的数据发生变化时，才会重新计算。 5. 避免在 v-for 中使用 v-if： 在 v-for 中使用 v-if 会导致 Vue 每次都重新渲染整个列表。 如果需要根据条件渲染列表中的元素，可以考虑使用 computed 属性或者 filter 方法。 6. 避免使用 index 作为 key： 使用 index 作为 key 会导致 Vue 在列表发生变化时，无法正确地判断节点是否相同，从而导致不必要的 DOM 操作。 7. 如果确定列表不会进行排序，可以使用 track-by="$index"： 这告诉 Vue 列表项的唯一性由它们在数组中的索引决定，而不是通过比较它们的属性。这可以跳过一些 VNode 的比较，提高性能。但是，这仅适用于列表项的顺序不会改变的情况。

Vue 3 的优化：更高效的 Diff 算法

Vue 3 对 Diff 算法进行了大幅优化，采用了基于 最长递增子序列 (Longest Increasing Subsequence, LIS) 的算法。

LIS 算法能够更准确地找到需要移动的节点，从而减少 DOM 操作。

此外，Vue 3 还采用了静态标记 (Static Flags) 技术，可以对 VNode 进行静态标记，从而避免对静态节点进行不必要的 Diff。

总而言之，Vue 3 的 Diff 算法比 Vue 2 更加高效，能够更好地应对复杂的场景。

总结：patch 函数是 Vue 的核心

patch 函数是 Vue 虚拟 DOM 更新的核心部件，负责将数据变化反映到真实的 DOM 上。 理解 patch 函数的工作原理和潜在的性能瓶颈，可以帮助我们更好地优化 Vue 应用的性能。

虽然 patch 函数的代码比较复杂，但是只要掌握了其核心思想：递归遍历，精细对比，高效 Diff，就能够轻松地理解其工作原理。

希望今天的讲解能够帮助大家更好地理解 Vue 2 的 patch 函数。 谢谢大家！

Q & A 环节 (模拟):

观众 A: “老师，您好！ 我想问一下，如果我的列表数据经常变化，而且节点没有 key，有什么好的优化建议吗？”

答: “这位同学，你好！ 如果你的列表数据经常变化，而且节点没有 key，Diff 算法的效率会大大降低。 建议你尽量为列表中的每个节点添加一个唯一的 key。 如果实在无法添加 key，可以考虑使用 track-by="$index"，但这只适用于列表的顺序不会改变的情况。 此外，你还可以考虑使用更高效的数据结构，例如链表，来存储列表数据。 链表可以更高效地进行插入和删除操作。”

观众 B: “老师，您好！ 我在使用 v-for 的时候，经常需要在循环中判断一些条件，然后根据条件来渲染不同的内容，这样会对性能有影响吗？”

答: “这位同学，你好！ 在 v-for 中使用 v-if 会导致 Vue 每次都重新渲染整个列表。 如果需要根据条件渲染列表中的元素，可以考虑使用 computed 属性或者 filter 方法。 例如，你可以先用 filter 方法过滤出需要渲染的元素，然后再使用 v-for 渲染过滤后的结果。”

结束语：

希望今天的讲座对大家有所帮助！ 记住，理解源码是提升技术水平的关键一步。 祝大家学习愉快，编码顺利！

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