探讨 Vue 3 编译器中 `static hoisting` (静态提升) 和 `patch flags` (补丁标志) 的具体实现，它们如何显著减少运行时开销？

Vue 3 编译器优化：静态提升与补丁标志

大家好，我是今天的主讲人，很高兴能和大家一起聊聊 Vue 3 编译器中两个非常给力的优化策略：static hoisting（静态提升）和 patch flags（补丁标志）。它们就像是Vue 3这座性能豪宅里的两根擎天柱，扛起了性能优化的重担，让我们的应用跑得更快更流畅。

咱们今天就深入源码，扒一扒它们的实现细节，看看它们是如何巧妙地减少运行时开销的。准备好了吗？Let’s go！

开场白：为什么我们需要优化？

在深入探讨具体技术之前，咱们先来聊聊为什么要优化。想象一下，你盖了一栋房子，装修精美，但每次你想移动一个家具，都要把整个房子重新装修一遍，这得多费劲？Vue 3 的优化目标就是避免这种“全量更新”的浪费。

Vue 的核心思想是响应式数据驱动视图更新。当数据发生变化时，Vue 会更新 DOM 来反映这些变化。然而，如果每次数据变化都粗暴地更新整个 DOM 树，那性能肯定会受到影响。优化就是要找到那些真正需要更新的部分，然后精准地进行更新，避免不必要的 DOM 操作。

static hoisting 和 patch flags 正是 Vue 3 编译器为了实现这个目标而引入的两个关键技术。它们就像是两位身怀绝技的武林高手，一个负责找出不变的东西，一个负责标记需要改变的地方，配合得天衣无缝。

第一部分：Static Hoisting (静态提升)

1. 什么是静态提升？

简单来说，静态提升就是把那些在整个生命周期内都不会改变的部分，比如静态文本、静态属性等等，在编译阶段提取出来，放到渲染函数之外，这样在每次渲染时就不用再重新创建这些静态节点了。

你可以把静态提升想象成搬家前把那些永远不会动的东西（比如墙上的画）提前打包好，搬到新家后直接挂上，省去了每次搬家都要重新画一遍的麻烦。

2. 实现原理：AST 遍历与标记

Vue 3 编译器在解析模板时，会生成一个抽象语法树（AST）。静态提升的过程就是在 AST 遍历期间进行的。编译器会识别出哪些节点是静态的，然后将它们标记为“静态节点”。

判断一个节点是否为静态节点通常基于以下几个条件：

• 没有动态绑定： 节点的所有属性和子节点都没有使用动态绑定（例如 v-bind、v-on、插值表达式等）。
• 没有指令： 节点上没有使用任何 Vue 指令（例如 v-if、v-for 等）。
• 不是组件根节点： 组件的根节点通常需要根据 props 和 data 进行动态渲染，所以不能被提升。

3. 源码剖析：Compiler 的魔术

让我们看看 Vue 3 编译器中 static hoisting 的核心代码（简化版本，用于说明原理）：

function transformElement(node: ElementNode, context: TransformContext) {
  // 1. 递归处理子节点
  for (let i = 0; i < node.children.length; i++) {
    transformNode(node.children[i], context);
  }

  // 2. 判断当前节点是否为静态节点
  if (isStaticNode(node)) {
    node.codegenNode = createStaticNode(node, context); // 创建静态节点
    node.codegenNode.isHoisted = true; // 标记为 hoisted
  } else {
    // 创建动态节点
    node.codegenNode = createVNodeCall(
      context,
      node.tag,
      node.props,
      node.children
    );
  }
}

function isStaticNode(node: ElementNode): boolean {
  if (node.type !== NodeTypes.ELEMENT) {
    return false;
  }

  // 检查是否有动态绑定或指令
  if (hasDynamicBinding(node) || hasDirective(node)) {
    return false;
  }

  // 递归检查子节点
  for (let i = 0; i < node.children.length; i++) {
    if (!isStaticNode(node.children[i])) {
      return false;
    }
  }

  return true;
}

function createStaticNode(node: ElementNode, context: TransformContext) {
  // 创建静态节点对应的 JavaScript 代码
  const staticNode = createSimpleExpression(generateCodeForNode(node, context), false);
  return staticNode;
}

function generateCodeForNode(node: ElementNode, context: TransformContext) {
  // 生成节点对应的 JavaScript 代码 (例如：'<div>Hello World</div>')
  // 这是一个简化的例子，实际实现会更复杂
  let code = `<${node.tag}`;
  for(const prop of node.props){
    code += ` ${prop.name}="${prop.value.content}"`
  }
  code += ">"

  for (const child of node.children){
    if(child.type === NodeTypes.TEXT){
      code += child.content;
    }
  }

  code += `</${node.tag}>`

  return code;
}

这段代码做了以下几件事：

1. transformElement 函数： 这是处理 HTML 元素的入口。它会递归处理子节点，然后判断当前节点是否为静态节点。
2. isStaticNode 函数： 这个函数负责判断一个节点是否为静态节点。它会检查节点是否有动态绑定、指令，以及递归检查子节点是否为静态节点。
3. createStaticNode 函数： 如果节点是静态的，这个函数会创建一个静态节点，并将其标记为 isHoisted = true。
4. generateCodeForNode 函数： 这个函数会生成静态节点对应的 JavaScript 代码，比如 '<div>Hello World</div>'。

4. 生成代码：Hoisted 变量

在代码生成阶段，编译器会把那些被标记为 isHoisted = true 的静态节点提取出来，放到渲染函数之外，声明为 const 变量。

例如，对于以下模板：

<div>
  <h1>这是一个静态标题</h1>
  <p>Hello, {{ name }}!</p>
</div>

编译器会生成类似这样的代码：

import { createVNode, toDisplayString } from 'vue';

const _hoisted_1 = /*#__PURE__*/ createVNode("h1", null, "这是一个静态标题", -1 /* HOISTED */);

export function render(_ctx, _cache, $props, $setup, $data, $options) {
  return (createVNode("div", null, [
    _hoisted_1,
    createVNode("p", null, "Hello, " + toDisplayString(_ctx.name) + "!", 1 /* TEXT */)
  ]));
}

可以看到，静态标题 <h1>这是一个静态标题</h1> 被提取出来，声明为 _hoisted_1 变量。在渲染函数中，直接使用这个变量，避免了每次渲染都要重新创建 <h1> 节点。

5. 优势：减少内存分配和垃圾回收

静态提升的主要优势在于减少了内存分配和垃圾回收的开销。由于静态节点只需要创建一次，后续渲染可以直接复用，因此可以减少不必要的内存分配。同时，由于静态节点不会被频繁创建和销毁，也可以减少垃圾回收的压力。

6. 注意事项：谨慎使用 v-once

v-once 指令也可以实现类似静态提升的效果，但它会将整个节点及其子节点都标记为静态的。如果节点内部包含动态内容，v-once 会阻止这些内容更新，这可能会导致意料之外的问题。因此，使用 v-once 要格外小心，确保节点内部确实没有任何需要动态更新的内容。

第二部分：Patch Flags (补丁标志)

1. 什么是补丁标志？

补丁标志是一种标记，用于指示在更新 DOM 时需要进行哪些类型的操作。它们就像是给 DOM 节点贴上的标签，告诉 Vue 运行时：“这个节点只需要更新文本内容”、“这个节点只需要更新属性”、“这个节点需要完全替换”等等。

你可以把补丁标志想象成给快递包裹贴上的标签，标签上写着“易碎”、“生鲜”、“贵重物品”等信息，快递员根据这些标签采取不同的处理方式，避免损坏包裹。

2. 实现原理：Diff 算法与 Flags

Vue 3 使用了一种优化的 Diff 算法来比较新旧 VNode 树，找出需要更新的部分。在 Diff 过程中，编译器会根据节点的类型、属性、子节点等信息，生成对应的补丁标志。

补丁标志是一个数字，每个数字代表一种或多种更新类型。Vue 3 定义了多种补丁标志，例如：

补丁标志	含义
TEXT	文本节点内容发生了变化。
CLASS	节点的 class 属性发生了变化。
STYLE	节点的 style 属性发生了变化。
PROPS	节点的普通属性发生了变化。
FULL_PROPS	节点的属性（包括 key）发生了变化。
HYDRATE_EVENTS	节点需要进行事件 hydration（主要用于服务端渲染）。
STABLE_FRAGMENT	子节点顺序稳定的 Fragment。
KEYED_FRAGMENT	子节点带有 key 的 Fragment。
UNKEYED_FRAGMENT	子节点没有 key 的 Fragment。
NEED_PATCH	节点需要进行完整的 patch。
DYNAMIC_SLOTS	节点包含动态插槽。
DEV_ROOT_FRAGMENT	仅用于开发环境的根 Fragment。
TELEPORT	Teleport 组件。
SUSPENSE	Suspense 组件。
COMPONENT	组件。
TEXT_NEW	文本节点内容发生了变化，且是新的文本节点。
CHILDREN	子节点发生了变化。

3. 源码剖析：Patch 函数的精妙之处

在运行时，Vue 3 的 patch 函数会根据补丁标志来决定如何更新 DOM。patch 函数就像一位经验丰富的医生，它会根据病人的病情（补丁标志）来选择合适的治疗方案。

让我们看看 patch 函数的核心代码（简化版本，用于说明原理）：

function patch(
  n1: VNode | null, // 旧 VNode
  n2: VNode,        // 新 VNode
  container: RendererElement, // 容器
  anchor: RendererNode | null = null, // 锚点
  parentComponent: ComponentInternalInstance | null = null, // 父组件实例
  parentSuspense: SuspenseBoundary | null = null, // 父 Suspense
  isSVG: boolean = false, // 是否为 SVG
  optimized: boolean = false // 是否已优化
) {
  const { type, shapeFlag } = n2;

  switch (type) {
    case Text:
      processText(n1, n2, container, anchor);
      break;
    case Comment:
      processCommentNode(n1, n2, container, anchor);
      break;
    case Static:
      processStaticNode(n1, n2, container, anchor, isSVG);
      break;
    case Fragment:
      processFragment(n1, n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, isSVG, optimized);
      break;
    default:
      if (shapeFlag & ShapeFlags.ELEMENT) {
        processElement(n1, n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, isSVG, optimized);
      } else if (shapeFlag & ShapeFlags.COMPONENT) {
        processComponent(n1, n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, isSVG, optimized);
      } else if (shapeFlag & ShapeFlags.TELEPORT) {
        processTeleport(n1, n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, isSVG, optimized);
      } else if (shapeFlag & ShapeFlags.SUSPENSE) {
        processSuspense(n1, n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, isSVG, optimized);
      }
  }
}

function processElement(
  n1: VNode | null,
  n2: VNode,
  container: RendererElement,
  anchor: RendererNode | null,
  parentComponent: ComponentInternalInstance | null,
  parentSuspense: SuspenseBoundary | null,
  isSVG: boolean,
  optimized: boolean
) {
  if (n1 == null) {
    mountElement(n2, container, anchor, parentComponent, parentSuspense, isSVG, optimized);
  } else {
    patchElement(n1, n2, parentComponent, parentSuspense, isSVG, optimized);
  }
}

function patchElement(
  n1: VNode,
  n2: VNode,
  parentComponent: ComponentInternalInstance | null,
  parentSuspense: SuspenseBoundary | null,
  isSVG: boolean,
  optimized: boolean
) {
  const el = (n2.el = n1.el!);
  const oldProps = n1.props || EMPTY_OBJ;
  const newProps = n2.props || EMPTY_OBJ;

  const { patchFlag } = n2;

  if (patchFlag & PatchFlags.CLASS) {
    // 只更新 class
    if (oldProps.class !== newProps.class){
        hostPatchProp(el, 'class', oldProps.class, newProps.class)
    }
  } else if (patchFlag & PatchFlags.STYLE) {
    // 只更新 style
    hostPatchProp(el, 'style', oldProps.style, newProps.style)
  } else if (patchFlag & PatchFlags.PROPS) {
    // 更新属性
    patchProps(el, newProps, oldProps)
  } else {
    // 全量更新
    patchProps(el, newProps, oldProps)
  }

  if (n2.children) {
    patchChildren(n1, n2, el, parentComponent, parentSuspense, isSVG, optimized);
  }
}

这段代码的关键在于 patchElement 函数。它会检查新 VNode 的 patchFlag 属性，然后根据标志来决定如何更新 DOM 元素。

• patchFlag & PatchFlags.CLASS： 如果补丁标志包含 CLASS，说明只需要更新 class 属性。
• patchFlag & PatchFlags.STYLE： 如果补丁标志包含 STYLE，说明只需要更新 style 属性。
• patchFlag & PatchFlags.PROPS： 如果补丁标志包含 PROPS，说明需要更新普通属性。
• 其他情况： 如果补丁标志不包含以上任何标志，说明需要进行全量更新。

4. 优势：精准更新，避免不必要的 DOM 操作

补丁标志的主要优势在于实现了精准更新。通过标记需要更新的类型，Vue 3 运行时可以避免不必要的 DOM 操作，从而提高性能。

例如，如果一个节点只需要更新文本内容，Vue 3 运行时只会更新该节点的文本内容，而不会重新创建整个节点。这大大减少了 DOM 操作的开销。

5. 编译器如何生成补丁标志？

编译器在生成代码时，会根据节点的动态绑定、属性、子节点等信息，来生成对应的补丁标志。

例如，对于以下模板：

<div :class="dynamicClass" :style="dynamicStyle">
  {{ text }}
</div>

编译器可能会生成类似这样的代码：

import { createVNode, toDisplayString } from 'vue';

export function render(_ctx, _cache, $props, $setup, $data, $options) {
  return (createVNode("div", {
    class: _ctx.dynamicClass,
    style: _ctx.dynamicStyle
  }, toDisplayString(_ctx.text), 7 /* TEXT, CLASS, STYLE */));
}

可以看到，createVNode 函数的第四个参数是 7，它表示这个节点的补丁标志是 TEXT | CLASS | STYLE，也就是需要更新文本内容、class 属性和 style 属性。

6. 动态属性与静态属性的区分

Vue 3 编译器会尽量区分动态属性和静态属性。静态属性会被直接写在 VNode 的属性对象中，而动态属性则会通过 v-bind 指令进行绑定。这样可以减少运行时对静态属性的检查，提高性能。

第三部分：静态提升与补丁标志的协同作战

static hoisting 和 patch flags 并不是孤立存在的，它们通常会协同作战，共同提升 Vue 3 应用的性能。

静态提升负责找出那些永远不会改变的部分，然后将它们提取出来，避免重复创建。补丁标志负责标记需要更新的部分，然后让运行时精准地进行更新。

这两个技术就像是一对黄金搭档，一个负责“守”，一个负责“攻”，配合得天衣无缝。

总结：性能优化的秘诀

今天，我们深入探讨了 Vue 3 编译器中 static hoisting 和 patch flags 的实现细节。这两个技术是 Vue 3 性能优化的关键。

• 静态提升： 减少内存分配和垃圾回收的开销。
• 补丁标志： 实现精准更新，避免不必要的 DOM 操作。

掌握了这两个技术，你就掌握了 Vue 3 性能优化的秘诀。在开发 Vue 3 应用时，要尽量利用静态提升和补丁标志的优势，编写更高效的代码。

好啦，今天的讲座就到这里。希望大家有所收获！如果有什么问题，欢迎随时提问。谢谢大家！