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。

各位观众老爷们，大家好！今天咱们来聊聊 Vue 2 里那个神秘又关键的 patch 函数。这玩意儿可是 Vue 2 虚拟 DOM 更新的核心发动机，它就像个辛勤的园丁，负责把我们对数据的修改，小心翼翼地反映到真实的 DOM 树上。

咱们今天的主要内容是：

1. patch 函数的整体流程：先给大家伙儿整个宏观的认识，知道它主要干些啥。
2. VNode 树的递归遍历： 详细扒一扒 patch 函数如何像深度优先搜索一样，一棵一棵地对比 VNode。
3. Key 的重要性： 解释为什么 key 这个小东西能对性能产生这么大的影响。
4. patch 过程中的优化策略： 介绍 Vue 2 为了提高性能都做了哪些努力。
5. 性能瓶颈分析： 最后聊聊 patch 函数的性能瓶颈，以及可能的优化方向。

好，废话不多说，咱们这就开始！

一、patch 函数：DOM 更新的灵魂舞者

想象一下，你写了一个 Vue 组件，数据变了，页面上的内容也得跟着变。但 Vue 不会傻乎乎地直接把整个页面都重新渲染一遍，那样效率太低了。它会先根据新的数据，生成一个新的 VNode 树（虚拟 DOM 树），然后把这个新的 VNode 树和旧的 VNode 树进行对比，找出需要修改的地方，最后才去更新真实的 DOM。

patch 函数就是负责执行这个对比和更新过程的。它接收两个 VNode 作为参数：一个是旧的 VNode (oldVnode)，一个是新的 VNode (vnode)。它的目标就是把 vnode 渲染到 oldVnode 对应的 DOM 元素上。

简单来说，patch 函数的功能可以概括为以下几点：

• 判断是否是相同的 VNode: 如果新旧 VNode 是同一个节点（sameVnode），就进行精细化的对比和更新。
• 创建新的 DOM 元素: 如果新的 VNode 是一个全新的节点，就创建一个新的 DOM 元素，并替换掉旧的 DOM 元素。
• 删除旧的 DOM 元素: 如果旧的 VNode 存在，但新的 VNode 不存在，就删除旧的 DOM 元素。
• 更新文本节点: 如果 VNode 是一个文本节点，就直接更新文本内容。

二、VNode 树的递归遍历：深入 patch 的内部世界

patch 函数最核心的地方，就是它如何递归地遍历 VNode 树。它就像一个经验丰富的探险家，一层一层地探索这棵树，找出差异，并进行更新。

咱们先看一段简化版的 patch 函数代码，感受一下它的整体结构：

function patch(oldVnode, vnode) {
  // 1. 判断是否是相同的 VNode
  if (sameVnode(oldVnode, vnode)) {
    // 2. 如果是相同的 VNode，就进行 patchVnode
    patchVnode(oldVnode, vnode);
  } else {
    // 3. 如果不是相同的 VNode，就创建新的 DOM 元素，并替换旧的 DOM 元素
    const newElm = createElement(vnode);
    const parentElm = oldVnode.elm.parentNode;

    parentElm.insertBefore(newElm, oldVnode.elm);
    removeVnodes(parentElm, [oldVnode], 0, 0);
  }

  return vnode.elm; // 返回更新后的 DOM 元素
}

// 判断是否是相同的 VNode
function sameVnode(a, b) {
  return (
    a.key === b.key && // key 相同
    a.tag === b.tag && // 标签相同
    a.isComment === b.isComment && // 是否是注释节点
    isDef(a.data) === isDef(b.data) // 是否都定义了 data
    // ... 其他判断条件
  );
}

这段代码主要做了以下几件事：

1. sameVnode 函数: 这个函数用来判断两个 VNode 是否是同一个节点。判断的依据包括 key、tag、isComment 和 data 等属性。如果两个 VNode 是同一个节点，就认为它们代表同一个 DOM 元素，可以进行更精细的对比和更新。

2. patchVnode 函数: 如果 sameVnode 返回 true，就调用 patchVnode 函数来更新这个节点。patchVnode 函数会进一步对比节点的属性、子节点等，并进行相应的更新。

3. 创建和替换 DOM 元素: 如果 sameVnode 返回 false，就意味着我们需要创建一个新的 DOM 元素来替换旧的 DOM 元素。这段代码会调用 createElement 函数来创建新的 DOM 元素，然后把它插入到旧的 DOM 元素之前，并删除旧的 DOM 元素。

接下来，咱们重点看看 patchVnode 函数是如何进行精细化对比和更新的。

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

  // 1. 如果新旧 VNode 都是文本节点，直接更新文本内容
  if (vnode.text) {
    if (oldVnode.text !== vnode.text) {
      elm.textContent = vnode.text;
    }
  } else {
    // 2. 如果新旧 VNode 都不是文本节点
    const oldCh = oldVnode.children;
    const ch = vnode.children;

    // 3. 如果新的 VNode 有子节点，旧的 VNode 没有子节点
    if (isDef(ch) && !isDef(oldCh)) {
      createChildren(elm, ch); // 创建新的子节点
    }
    // 4. 如果旧的 VNode 有子节点，新的 VNode 没有子节点
    else if (!isDef(ch) && isDef(oldCh)) {
      removeVnodes(elm, oldCh, 0, oldCh.length); // 移除旧的子节点
    }
    // 5. 如果新旧 VNode 都有子节点
    else if (isDef(ch) && isDef(oldCh)) {
      updateChildren(elm, oldCh, ch); // 更新子节点
    }
  }
}

这段代码主要做了以下几件事：

1. 复用 DOM 元素: 首先，它会把新的 VNode 的 elm 属性指向旧的 VNode 的 elm 属性，也就是复用旧的 DOM 元素。这样做可以减少 DOM 操作，提高性能。

2. 处理文本节点: 如果新旧 VNode 都是文本节点，就直接更新文本内容。

3. 处理子节点: 如果新旧 VNode 都不是文本节点，就需要处理它们的子节点。这里有三种情况：

   • 新的 VNode 有子节点，旧的 VNode 没有子节点： 创建新的子节点。
   • 旧的 VNode 有子节点，新的 VNode 没有子节点： 移除旧的子节点。
   • 新旧 VNode 都有子节点： 更新子节点。

其中，updateChildren 函数是整个 patch 过程中最复杂的部分，它负责对比和更新新旧 VNode 的子节点。

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, refElm;

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

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

updateChildren 函数使用了双指针的方式，同时遍历新旧 VNode 的子节点列表。它会比较新旧子节点列表的头部和尾部，找出相同的节点，并进行更新。如果找不到相同的节点，就创建一个新的节点，或者移动已有的节点。

updateChildren 函数的执行流程可以概括为以下几点：

1. 初始化指针: 初始化四个指针：oldStartIdx、oldEndIdx、newStartIdx 和 newEndIdx，分别指向新旧子节点列表的头部和尾部。

2. 循环遍历: 循环遍历新旧子节点列表，直到 oldStartIdx > oldEndIdx 或者 newStartIdx > newEndIdx。

3. 比较节点: 在循环中，比较以下几种情况：

   • oldStartVnode 和 newStartVnode 是否相同： 如果相同，就调用 patchVnode 函数更新它们，并移动指针。
   • oldEndVnode 和 newEndVnode 是否相同： 如果相同，就调用 patchVnode 函数更新它们，并移动指针。
   • oldStartVnode 和 newEndVnode 是否相同： 如果相同，就调用 patchVnode 函数更新它们，并将 oldStartVnode 移动到 oldEndVnode 的后面。
   • oldEndVnode 和 newStartVnode 是否相同： 如果相同，就调用 patchVnode 函数更新它们，并将 oldEndVnode 移动到 oldStartVnode 的前面。
   • 如果以上情况都不满足，就创建一个 keyToOldIdx 映射表，用于快速查找旧子节点列表中是否存在与新子节点列表中某个节点具有相同 key 的节点。如果找到了，就调用 patchVnode 函数更新它们，并将旧子节点列表中的节点移动到新子节点列表中的相应位置。如果没有找到，就创建一个新的节点，并插入到旧子节点列表的头部。

4. 处理剩余节点: 循环结束后，如果旧子节点列表中还有剩余的节点，就删除它们。如果新子节点列表中还有剩余的节点，就创建它们，并插入到旧子节点列表中。

三、Key 的重要性：性能优化的关键

在 patch 函数中，key 属性扮演着非常重要的角色。它可以帮助 Vue 快速地识别出哪些节点是相同的，哪些节点是不同的。

如果没有 key 属性，Vue 在对比新旧 VNode 列表时，只能按照顺序逐个比较节点。如果节点的位置发生了变化，Vue 就会认为它们是不同的节点，从而创建新的 DOM 元素，并删除旧的 DOM 元素。

有了 key 属性，Vue 就可以根据 key 值来判断节点是否相同。如果两个节点的 key 值相同，Vue 就会认为它们是同一个节点，即使它们的位置发生了变化。这样，Vue 就可以复用已有的 DOM 元素，而不需要创建新的 DOM 元素，从而提高性能。

举个例子，假设我们有一个列表，其中包含三个元素：

<ul>
  <li>A</li>
  <li>B</li>
  <li>C</li>
</ul>

现在，我们把列表的顺序调整一下：

<ul>
  <li>B</li>
  <li>A</li>
  <li>C</li>
</ul>

如果没有 key 属性，Vue 会认为这三个元素都发生了变化，从而创建三个新的 DOM 元素，并删除三个旧的 DOM 元素。

如果给每个元素都添加一个 key 属性：

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

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

Vue 就会根据 key 值来判断节点是否相同。它会发现 key="a" 的节点仍然存在，只是位置发生了变化，所以它只需要移动这个节点，而不需要创建新的 DOM 元素。

因此，在 Vue 中，强烈建议给每个列表元素都添加一个唯一的 key 属性。这可以帮助 Vue 更好地复用 DOM 元素，提高性能。

四、patch 过程中的优化策略：Vue 的性能秘诀

为了提高 patch 函数的性能，Vue 2 采取了很多优化策略。

1. sameVnode 函数: sameVnode 函数可以快速地判断两个 VNode 是否是同一个节点。如果两个 VNode 不是同一个节点，就可以直接创建新的 DOM 元素，而不需要进行更精细的对比。

2. 双指针算法: updateChildren 函数使用了双指针算法，可以高效地对比新旧子节点列表。

3. Key 的使用: key 属性可以帮助 Vue 快速地识别出哪些节点是相同的，哪些节点是不同的。

4. 复用 DOM 元素: patchVnode 函数会尽可能地复用已有的 DOM 元素，减少 DOM 操作。

5. 异步更新: Vue 使用异步更新队列来批量更新 DOM。这意味着 Vue 不会立即更新 DOM，而是把所有的更新操作都放到一个队列中，然后在下一个事件循环中一次性更新 DOM。这样做可以减少 DOM 操作的次数，提高性能。

   // 简化版的异步更新队列
   let queue = [];
   let waiting = false;
   
   function queueWatcher(watcher) {
    queue.push(watcher);
   
    if (!waiting) {
      waiting = true;
      Promise.resolve().then(flushSchedulerQueue);
    }
   }
   
   function flushSchedulerQueue() {
    for (let i = 0; i < queue.length; i++) {
      queue[i].run(); // 执行 watcher 的更新函数
    }
    queue = [];
    waiting = false;
   }

6. 静态节点优化: Vue 会对静态节点进行优化，避免对它们进行不必要的更新。如果一个节点的内容是静态的，也就是说它不会随着数据的变化而变化，Vue 就会把它标记为静态节点。在 patch 过程中，Vue 会跳过对静态节点的对比和更新，从而提高性能。

   // 例子：在编译时标记静态节点
   function compile(template) {
     // ...
     function markStatic(node) {
       node.static = true;
       if (node.children) {
         for (let i = 0; i < node.children.length; i++) {
           markStatic(node.children[i]);
         }
       }
     }
   
     // 假设这里判断 node 是否是静态的
     if (isStatic(node)) {
       markStatic(node);
     }
     // ...
   }

   在 patch 阶段，可以跳过静态节点的对比：

   function patchVnode(oldVnode, vnode) {
     if (vnode.static && oldVnode.static) {
       return; // 跳过静态节点
     }
     // ...
   }

五、性能瓶颈分析：patch 函数的阿喀琉斯之踵

虽然 Vue 2 已经做了很多优化，但 patch 函数仍然存在一些性能瓶颈。

1. 递归遍历的开销: patch 函数需要递归地遍历 VNode 树，这会带来一定的开销。对于大型的 VNode 树，递归遍历可能会成为性能瓶颈。

2. updateChildren 函数的复杂度: updateChildren 函数是整个 patch 过程中最复杂的部分。它需要对比新旧子节点列表，找出相同的节点，并进行更新。在最坏的情况下，updateChildren 函数的复杂度可能会达到 O(n^2)，其中 n 是子节点的数量。

3. DOM 操作的开销: 虽然 Vue 尽可能地减少 DOM 操作，但 DOM 操作仍然是不可避免的。DOM 操作的开销相对较高，尤其是在移动 DOM 元素时。

4. JavaScript 的性能限制: JavaScript 是一门解释型语言，它的执行效率相对较低。在 patch 函数中，大量的 JavaScript 代码需要执行，这可能会成为性能瓶颈。

为了解决这些性能瓶颈，可以考虑以下优化方向：

• 减少递归的深度: 可以通过一些技巧来减少递归的深度，例如使用迭代的方式来遍历 VNode 树。
• 优化 updateChildren 函数: 可以尝试使用更高效的算法来对比新旧子节点列表。
• 减少 DOM 操作的次数: 可以通过一些技巧来减少 DOM 操作的次数，例如使用 DocumentFragment 来批量更新 DOM。
• 使用 WebAssembly: 可以考虑使用 WebAssembly 来编写 patch 函数的核心代码，从而提高执行效率。

瓶颈	描述	优化方向
递归遍历 VNode 树	对大型 VNode 树进行深度递归遍历，消耗大量计算资源。	减少递归深度，考虑迭代方式，或者对 VNode 树进行扁平化处理。
updateChildren 函数复杂度	双端 diff 算法在某些情况下可能达到 O(n^2) 复杂度，特别是在节点大量移动时。	尝试更高效的 diff 算法，例如只比较 key 值，或者使用预处理来减少比较次数。
DOM 操作开销	尽管 Vue 尽量减少 DOM 操作，但频繁的 DOM 增删改仍然会影响性能。	批量更新 DOM，使用 DocumentFragment，或者考虑使用 OffscreenCanvas 进行预渲染。
JavaScript 性能限制	JavaScript 解释执行效率相对较低，大量计算密集型操作会成为瓶颈。	使用 WebAssembly 重写核心算法，或者利用 JavaScript 引擎的优化特性，如 V8 的 TurboFan。
对象创建和销毁	在 patch 过程中，会频繁创建和销毁 VNode 对象。	对象池技术，复用 VNode 对象，避免频繁的内存分配和垃圾回收。
内存占用	大型 VNode 树会占用大量内存，影响页面性能。	优化 VNode 结构，减少不必要的属性，或者采用增量更新策略，只更新变化的部分，减少内存占用。
事件绑定和解绑	大量事件绑定和解绑操作也会带来性能开销。	事件委托，将事件绑定到父元素上，减少事件处理函数的数量。
CSS 计算和重排重绘	修改 DOM 结构或样式可能会触发 CSS 计算、重排和重绘，影响页面性能。	尽量避免强制同步布局，减少样式变更范围，使用 requestAnimationFrame 合并 DOM 更新，避免频繁的重排重绘。

总结：不断进化的 patch 函数

patch 函数是 Vue 2 虚拟 DOM 更新的核心。它通过递归遍历 VNode 树，对比新旧 VNode，并进行相应的 DOM 更新。

虽然 Vue 2 已经做了很多优化，但 patch 函数仍然存在一些性能瓶颈。为了解决这些性能瓶颈，可以考虑减少递归的深度、优化 updateChildren 函数、减少 DOM 操作的次数和使用 WebAssembly 等方法。

Vue 3 对虚拟 DOM 进行了重写，采用了一种新的 patch 算法，称为 "静态标记"（Static Hoisting）和 "Block Tree"。 这些优化极大地提高了性能。

patch 函数是一个不断进化的过程。随着技术的不断发展，我们可以期待它在未来能够变得更加高效、更加智能。

好了，今天的讲座就到这里。感谢各位观众老爷的收看！希望大家能对 Vue 2 的 patch 函数有更深入的了解。下次有机会，咱们再聊聊 Vue 3 的新 patch 算法！拜拜！