JavaScript内核与高级编程之：`React`的`Virtual DOM` `Diffing`：`Diff`算法的底层实现与优化。 - 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

各位靓仔靓女，早上好！今天咱们来聊聊React里的“小秘密”—— Virtual DOM 和 Diffing 算法。别被这俩词儿吓到，其实它们就是React能“嗖嗖”地更新页面的幕后功臣。

1. Virtual DOM：内存里的“影分身”

想象一下，你有一份文件（DOM），每次修改都要直接在原文件上改，这效率得多低啊！ Virtual DOM 就相当于在内存里创建了一份 DOM 的“影分身”，你可以随便改“影分身”，改完了再把“影分身”的修改同步到真正的 DOM 上。

这样做的好处是：

减少直接操作 DOM 的次数： DOM 操作是很耗时的，Virtual DOM 相当于一个“缓冲区”，把多次修改合并成一次更新。
更高效的更新： 通过 Diffing 算法，只更新真正需要改变的部分，而不是整个 DOM 树。

那么，这个“影分身”到底长啥样呢？其实就是一个普通的 JavaScript 对象，描述了 DOM 元素及其属性。比如：

const virtualDOM = {
  type: 'div',
  props: {
    className: 'container',
  },
  children: [
    {
      type: 'h1',
      props: {},
      children: ['Hello, React!'],
    },
    {
      type: 'p',
      props: {},
      children: ['This is a paragraph.'],
    },
  ],
};

这个 virtualDOM 对象就描述了一个 div 元素，它有一个类名为 container，包含了 h1 和 p 两个子元素。

2. Diffing 算法： “找不同”的艺术

有了 Virtual DOM，接下来就要解决一个问题：如何知道 Virtual DOM 发生了哪些变化，才能高效地更新真正的 DOM？这就是 Diffing 算法要做的事情。

Diffing 算法就像一个“找不同”游戏，它会比较新旧 Virtual DOM 树，找出差异，然后只更新这些差异部分。 React 的 Diffing 算法主要基于以下几个假设：

同层节点比较： 只比较同一层级的节点，不会跨层级比较。
相同类型的组件产生相似的 DOM 结构： 如果组件类型不同，则会直接替换整个组件。
可以通过 key 属性来标识节点： key 属性可以帮助 React 识别哪些节点是相同的，哪些是新增或删除的。

下面我们来模拟一个简单的 Diffing 过程：

2.1 简化版Diff算法的伪代码（递归）

function diff(oldTree, newTree) {
  // 1. 如果新节点不存在，说明节点被删除
  if (!newTree) {
    return { type: 'REMOVE', oldNode: oldTree };
  }

  // 2. 如果节点类型不同，直接替换
  if (oldTree.type !== newTree.type) {
    return { type: 'REPLACE', oldNode: oldTree, newNode: newTree };
  }

  // 3. 如果节点类型相同，比较属性
  const patches = [];
  const propsPatches = diffProps(oldTree.props, newTree.props);
  if (propsPatches) {
    patches.push({ type: 'PROPS', props: propsPatches });
  }

  // 4. 比较子节点
  const childrenPatches = diffChildren(oldTree.children, newTree.children);
  if (childrenPatches.length > 0) {
    patches.push({ type: 'CHILDREN', children: childrenPatches });
  }

  // 5. 如果有任何差异，返回补丁
  if (patches.length > 0) {
    return patches;
  }

  return null; // 没有差异
}

function diffProps(oldProps, newProps) {
    let patches = {};
    let hasDiff = false;

    // 检查新的属性
    for (let key in newProps) {
        if (newProps[key] !== oldProps[key]) {
            patches[key] = newProps[key];
            hasDiff = true;
        }
    }

    // 检查旧的属性，看是否有属性被移除
    for (let key in oldProps) {
        if (!(key in newProps)) {
            patches[key] = undefined; // 设置为 undefined 表示移除
            hasDiff = true;
        }
    }

    return hasDiff ? patches : null;
}

function diffChildren(oldChildren, newChildren) {
    let patches = [];

    // 简单地遍历比较每个子节点
    let maxLength = Math.max(oldChildren.length, newChildren.length);
    for (let i = 0; i < maxLength; i++) {
        let oldChild = oldChildren[i];
        let newChild = newChildren[i];

        if (oldChild && newChild) {
            let patch = diff(oldChild, newChild);
            if (patch) {
                patches.push(patch);
            }
        } else if (newChild) {
            patches.push({ type: 'ADD', node: newChild }); // 新增节点
        } else if (oldChild) {
            patches.push({ type: 'REMOVE', node: oldChild }); // 删除节点
        }
    }

    return patches;
}

这个简化版的 diff 函数，主要做了以下几件事：

节点删除： 如果新 Virtual DOM 中没有某个节点，说明该节点被删除了。
节点替换： 如果新旧节点的类型不同，直接用新节点替换旧节点。
属性比较： 如果节点类型相同，比较节点的属性，找出变化的属性。
子节点比较： 递归地比较子节点，找出子节点的变化。

2.2 实际React Diff算法的关键优化点

上面的代码只是一个简化版的 Diff 算法，实际 React 的 Diff 算法要复杂得多，它做了一些优化来提高性能：

key 属性： key 属性是 React Diff 算法的关键。React 会根据 key 属性来判断哪些节点是相同的，哪些是新增或删除的。如果没有 key 属性，React 只能按照顺序比较节点，效率很低。
移动节点： React 会尽量移动已有的节点，而不是删除再重新创建。比如，如果一个节点只是改变了位置，React 会直接移动该节点，而不是删除再重新创建。
列表 Diff： 对于列表的 Diff，React 使用了一种叫做 "头尾比较" 的策略。它会先比较列表的头部和尾部，找出相同的节点，然后递归地比较剩下的节点。

3. key 属性： Diff 算法的“身份证”

key 属性就像是 Diff 算法的“身份证”，它可以帮助 React 准确地识别节点。如果没有 key 属性，React 只能按照顺序比较节点，效率很低，而且可能会导致一些奇怪的问题。

比如，考虑以下情况：

const list = [
  { id: 1, name: 'A' },
  { id: 2, name: 'B' },
  { id: 3, name: 'C' },
];

function MyList() {
  const [items, setItems] = React.useState(list);

  const handleMove = () => {
    // 将第一个元素移动到最后
    const newItems = [...items.slice(1), items[0]];
    setItems(newItems);
  };

  return (
    <div>
      <button onClick={handleMove}>Move</button>
      <ul>
        {items.map((item) => (
          <li>{item.name}</li>
        ))}
      </ul>
    </div>
  );
}

在这个例子中，点击 "Move" 按钮会将列表的第一个元素移动到最后。如果没有 key 属性，React 会认为第一个 li 元素被删除了，然后在最后创建了一个新的 li 元素。这样会导致不必要的 DOM 操作，影响性能。

如果加上 key 属性：

{items.map((item) => (
  <li key={item.id}>{item.name}</li>
))}

React 就可以根据 key 属性知道第一个 li 元素只是改变了位置，而不是被删除再重新创建。这样就可以避免不必要的 DOM 操作，提高性能。

4. React Diff 算法的优化策略

React Diff 算法已经很高效了，但我们仍然可以通过一些策略来进一步优化：

避免不必要的更新： 使用 React.memo、PureComponent 或 shouldComponentUpdate 来避免不必要的组件更新。这些方法可以帮助我们判断组件的 props 或 state 是否发生了变化，如果没有变化，则可以跳过更新。
合理使用 key 属性： key 属性要保证唯一性和稳定性。不要使用数组的 index 作为 key 属性，因为当数组发生变化时，index 可能会发生改变，导致 React 无法正确识别节点。
减少组件的复杂度： 尽量将复杂的组件拆分成小的、可复用的组件。这样可以减少每次更新时需要 Diff 的节点数量，提高性能。
使用 Immutable Data： 使用 Immutable Data 可以避免直接修改数据，从而更容易地检测数据的变化，提高 Diff 算法的效率。比如，可以使用 immutable.js 或 immer 等库来管理 Immutable Data。

5. 总结： Virtual DOM 和 Diffing 算法的意义

Virtual DOM 和 Diffing 算法是 React 的核心技术，它们使得 React 能够高效地更新页面，提供流畅的用户体验。

特性	Virtual DOM	Diffing 算法
作用	减少直接操作 DOM 的次数，提高性能	找出 Virtual DOM 的差异，只更新差异部分
原理	在内存中创建 DOM 的“影分身”	比较新旧 Virtual DOM 树，找出差异
优化策略	避免不必要的更新、合理使用 key 属性等	使用 key 属性、移动节点、列表 Diff 等
重要性	React 的核心技术之一	React 的核心技术之一

掌握 Virtual DOM 和 Diffing 算法的原理，可以帮助我们更好地理解 React 的工作方式，编写更高效的 React 代码。

今天的讲座就到这里，谢谢大家！如果大家还有什么问题，可以随时提问。

最后，记住：代码虐我千百遍，我待代码如初恋！祝大家编程愉快！

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