Vue 3的响应式系统：解析`Proxy`在数据劫持中的应用，并与Vue 2的`Object.defineProperty`进行对比。 - 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

Vue 3 响应式系统：Proxy 的妙用与 Vue 2 的对比

大家好，今天我们要深入探讨 Vue 3 的响应式系统，重点分析 Proxy 在数据劫持中的应用，并将其与 Vue 2 中使用的 Object.defineProperty 进行对比。理解这些机制对于编写高效、可维护的 Vue 应用至关重要。

什么是响应式系统？

在开始之前，我们先明确一下什么是响应式系统。简单来说，响应式系统就是当数据发生变化时，能够自动更新视图的机制。它的核心在于数据劫持，即监听数据的变化，并在变化发生时执行相应的操作，例如更新 DOM。

Vue 2 的响应式系统：Object.defineProperty 的限制

Vue 2 使用 Object.defineProperty 来实现数据劫持。Object.defineProperty 允许我们精确地定义对象属性的特性，包括 get 和 set 访问器。

代码示例：Vue 2 的简单响应式实现

function defineReactive(obj, key, val) {
  Object.defineProperty(obj, key, {
    enumerable: true, // 可枚举
    configurable: true, // 可配置
    get: function reactiveGetter() {
      // 依赖收集逻辑 (稍后解释)
      console.log(`Getting ${key}: ${val}`);
      return val;
    },
    set: function reactiveSetter(newVal) {
      if (newVal === val) return;
      console.log(`Setting ${key} to: ${newVal}`);
      val = newVal;
      // 派发更新逻辑 (稍后解释)
    }
  });
}

function observe(obj) {
  if (typeof obj !== 'object' || obj === null) {
    return;
  }

  Object.keys(obj).forEach(key => {
    defineReactive(obj, key, obj[key]);
  });
}

const data = {
  name: 'Vue 2',
  age: 5,
  nested: {
    value: 'initial'
  }
};

observe(data);

data.name = 'Vue 2 Updated'; // 输出: Setting name to: Vue 2 Updated
console.log(data.name); // 输出: Getting name: Vue 2 Updated  Vue 2 Updated

data.nested.value = 'updated'; // 没有反应，因为 nested 对象在 observe 时已经被处理过了

Object.defineProperty 的局限性

虽然 Object.defineProperty 可以实现基本的数据劫持，但它存在一些明显的局限性：

无法监听新增属性： Object.defineProperty 只能劫持对象已经存在的属性。如果我们在已经响应式化的对象上添加新的属性，Vue 2 无法检测到这些新增属性的变化。需要使用 $set 方法来解决这个问题。
```
// 继续上面的例子
data.newProperty = 'new value'; // 不会触发任何响应
Vue.set(data, 'newProperty', 'new value'); // 使用 Vue.set 触发响应
```
无法监听删除属性： 同样，Object.defineProperty 无法检测到属性的删除。需要使用 $delete 方法来解决这个问题。
```
// 继续上面的例子
delete data.age; // 不会触发任何响应
Vue.delete(data, 'age'); // 使用 Vue.delete 触发响应
```
需要深度遍历： 为了实现深度响应式，Vue 2 需要递归遍历对象的所有属性，包括嵌套的对象。这在处理大型对象时会带来性能问题。
无法监听数组的变化： Object.defineProperty 无法直接监听数组的变化。Vue 2 通过重写数组的几个常用方法（如 push, pop, shift, unshift, splice, sort, reverse）来实现对数组变化的监听。这意味着 Vue 2 实际上并没有劫持数组本身，而是劫持了修改数组的方法。
```
const arr = [1, 2, 3];
observe(arr); //  observe 函数无法有效处理数组

arr.push(4); //  Vue 2 重写了 push 方法，所以可以触发响应
arr[0] = 10; //  无法触发响应
arr.length = 0; // 无法触发响应
```

表格总结 Object.defineProperty 的优缺点

特性	优点	缺点
数据劫持方式	精确控制属性的 `get` 和 `set` 访问器	只能劫持已存在的属性，无法监听新增和删除的属性；需要深度遍历；无法直接监听数组变化，需要重写数组方法。
兼容性	兼容性好，支持 IE9+
代码复杂度	相对简单	需要额外处理新增、删除属性和数组的情况，代码复杂度增加。
性能	在处理小型对象时性能良好	在处理大型对象时，深度遍历会带来性能问题。
对新增属性/删除属性的支持	不支持，需要使用 `$set` 和 `$delete` 方法
对数组的支持	不支持直接监听数组，需要重写数组方法

Vue 3 的响应式系统：Proxy 的优势

Vue 3 使用 Proxy 来替代 Object.defineProperty 实现数据劫持。Proxy 是 ES6 提供的新的 API，它允许我们创建一个对象的“代理”，可以拦截并自定义对象的基本操作，如属性读取、属性赋值、属性删除等。

代码示例：Vue 3 的简单响应式实现

function reactive(obj) {
  if (typeof obj !== 'object' || obj === null) {
    return obj;
  }

  return new Proxy(obj, {
    get(target, key, receiver) {
      console.log(`Getting ${key}: ${target[key]}`);
      return Reflect.get(target, key, receiver); // 使用 Reflect 保持 this 指向
    },
    set(target, key, value, receiver) {
      if (target[key] === value) return true; // 避免不必要的更新
      console.log(`Setting ${key} to: ${value}`);
      const result = Reflect.set(target, key, value, receiver); // 使用 Reflect 保持 this 指向
      // 派发更新逻辑 (稍后解释)
      return result;
    },
    deleteProperty(target, key) {
      console.log(`Deleting property ${key}`);
      const result = Reflect.deleteProperty(target, key);
      // 派发更新逻辑 (稍后解释)
      return result;
    }
  });
}

const data = {
  name: 'Vue 3',
  age: 3,
  nested: {
    value: 'initial'
  },
  arr: [1, 2, 3]
};

const reactiveData = reactive(data);

reactiveData.name = 'Vue 3 Updated'; // 输出: Setting name to: Vue 3 Updated
console.log(reactiveData.name); // 输出: Getting name: Vue 3 Updated  Vue 3 Updated

reactiveData.nested.value = 'updated'; // 输出: Setting value to: updated (需要递归 reactive nested 对象)
console.log(reactiveData.nested.value); // 输出: Getting value: updated  updated

reactiveData.newProperty = 'new value'; // 输出: Setting newProperty to: new value
console.log(reactiveData.newProperty); // 输出: Getting newProperty: new value  new value

delete reactiveData.age; // 输出: Deleting property age

reactiveData.arr.push(4); //  数组变化也会触发更新 (需要递归 reactive 数组)
console.log(reactiveData.arr);

Proxy 的优势

相对于 Object.defineProperty，Proxy 具有以下显著优势：

可以监听新增/删除属性： Proxy 可以拦截 set 和 deleteProperty 操作，因此可以监听新增和删除属性的变化。
不需要深度遍历： Proxy 采用的是“懒代理”模式，只有在访问对象的属性时才会进行劫持。这意味着不需要一开始就递归遍历整个对象，从而提高了性能。当然，如果属性是对象或者数组，仍然需要递归调用 reactive 函数。
可以直接监听数组的变化： Proxy 可以直接拦截数组的索引访问和修改，以及数组的 push、pop、shift、unshift、splice 等方法。这意味着 Vue 3 不需要像 Vue 2 那样重写数组方法。
更强大的拦截能力： Proxy 可以拦截更多的对象操作，例如 has (判断对象是否包含某个属性)、ownKeys (获取对象的所有属性键) 等。

表格总结 Proxy 的优缺点

特性	优点	缺点
数据劫持方式	可以监听新增和删除的属性；采用“懒代理”模式，不需要深度遍历；可以直接监听数组变化；拦截更多的对象操作。
兼容性	兼容性相对较差，只支持 IE11+ 和现代浏览器。
代码复杂度	相对简单
性能	在处理大型对象时性能更好，因为不需要深度遍历。
对新增属性/删除属性的支持	支持
对数组的支持	支持直接监听数组

代码示例：Reflect 的作用

在上面的 Proxy 代码示例中，我们使用了 Reflect API。Reflect 是 ES6 提供的一个内置对象，它提供了一组与对象操作相关的静态方法。

Reflect 的主要作用是：

提供了一套完整的对象操作 API： Reflect 提供了与 Object 对象上同名的方法，例如 Reflect.get 对应 Object.getOwnPropertyDescriptor，Reflect.set 对应 Object.defineProperty 等。
将 Object 对象上的某些命令式操作转化为函数式操作： 例如，delete obj.property 是一个命令式操作，而 Reflect.deleteProperty(obj, 'property') 是一个函数式操作。

保持 this 指向： 在使用 Proxy 拦截对象操作时，this 指向可能会发生改变。使用 Reflect 可以确保 this 指向正确的目标对象。

const obj = {
  value: 1,
  getValue() {
    return this.value;
  }
};

const proxy = new Proxy(obj, {
  get(target, key, receiver) {
    console.log('Getting', key);
    return Reflect.get(target, key, receiver); // receiver 是 proxy 对象
  }
});

console.log(proxy.getValue()); // 输出: Getting getValue  1 (this 指向 proxy 对象)

如果没有使用 Reflect.get(target, key, receiver)，而是直接使用 target[key]，那么 this 指向将是 target 对象，而不是 proxy 对象。这可能会导致一些意外的结果。

依赖收集与派发更新

无论是 Vue 2 还是 Vue 3，响应式系统的核心逻辑都包含两个关键步骤：依赖收集和派发更新。

1. 依赖收集 (Dependency Collection)

当组件渲染时，会访问响应式数据。此时，响应式系统会将当前组件（或者更精确地说，是组件对应的 Watcher 对象）收集到该数据的依赖列表中。这个依赖列表记录了所有依赖该数据的组件。

2. 派发更新 (Update Dispatch)

当响应式数据发生变化时，响应式系统会遍历该数据的依赖列表，通知所有依赖该数据的组件进行更新。组件会重新渲染，从而更新视图。

代码示例：简单的依赖收集和派发更新

let activeEffect = null; // 当前激活的 effect (即 Watcher)

function effect(fn) {
  activeEffect = fn;
  fn(); // 立即执行一次，触发依赖收集
  activeEffect = null;
}

const targetMap = new WeakMap(); // 用于存储依赖关系的 Map

function track(target, key) {
  if (!activeEffect) return; // 如果没有激活的 effect，则不进行依赖收集

  let depsMap = targetMap.get(target);
  if (!depsMap) {
    depsMap = new Map();
    targetMap.set(target, depsMap);
  }

  let deps = depsMap.get(key);
  if (!deps) {
    deps = new Set();
    depsMap.set(key, deps);
  }

  deps.add(activeEffect); // 将当前激活的 effect 添加到依赖列表中
}

function trigger(target, key) {
  const depsMap = targetMap.get(target);
  if (!depsMap) return; // 如果没有依赖关系，则不进行派发更新

  const deps = depsMap.get(key);
  if (!deps) return; // 如果该属性没有依赖，则不进行派发更新

  deps.forEach(effect => {
    effect(); // 触发所有依赖该属性的 effect
  });
}

function reactive(obj) {
  if (typeof obj !== 'object' || obj === null) {
    return obj;
  }

  return new Proxy(obj, {
    get(target, key, receiver) {
      const res = Reflect.get(target, key, receiver);
      track(target, key); // 依赖收集
      return res;
    },
    set(target, key, value, receiver) {
      const res = Reflect.set(target, key, value, receiver);
      trigger(target, key); // 派发更新
      return res;
    }
  });
}

const data = {
  name: 'Vue',
  age: 3
};

const reactiveData = reactive(data);

effect(() => {
  console.log(`Name: ${reactiveData.name}, Age: ${reactiveData.age}`); // 依赖了 name 和 age
});

reactiveData.name = 'Vue Updated'; // 触发更新
reactiveData.age = 4; // 触发更新

在这个简单的例子中：

effect 函数用于注册一个副作用函数 (即 Watcher)，并立即执行一次，触发依赖收集。
track 函数用于收集依赖关系。它将当前激活的 effect 添加到目标对象的指定属性的依赖列表中。
trigger 函数用于派发更新。它遍历目标对象的指定属性的依赖列表，触发所有依赖该属性的 effect。

在 Vue 的实际实现中，依赖收集和派发更新的逻辑更加复杂，涉及到组件的生命周期、虚拟 DOM 等概念。

性能考量：Vue 3 的优化

Vue 3 在响应式系统方面进行了多项优化，以提高性能：

更高效的依赖收集： Vue 3 使用了更高效的依赖收集算法，减少了不必要的依赖收集。
静态提升 (Static Hoisting)： Vue 3 会将模板中的静态节点提升到渲染函数之外，避免重复创建和更新。
Patch Flag： Vue 3 引入了 Patch Flag，用于标记动态节点的变化类型。这样可以精确地更新 DOM，避免不必要的 DOM 操作。
Tree-shaking： Vue 3 的代码库采用了 Tree-shaking 技术，可以移除未使用的代码，减小打包体积。

总结：Proxy 带来的革新

Vue 3 使用 Proxy 替代 Object.defineProperty，解决了 Vue 2 中存在的许多问题，例如无法监听新增和删除的属性、需要深度遍历、无法直接监听数组变化等。 Proxy 提供了更强大、更灵活的数据劫持能力，也为 Vue 3 的性能优化提供了更多的空间。虽然 Proxy 的兼容性不如 Object.defineProperty，但随着浏览器技术的不断发展，Proxy 正在成为现代 Web 应用的标配。

未来发展：响应式系统的演进

响应式系统是前端框架的核心组成部分，它的发展方向将朝着更高效、更灵活、更易用的方向发展。我们可以期待在未来的前端框架中看到更多创新性的响应式系统设计。