Vue响应性系统中数组与普通对象的依赖收集差异：索引追踪与属性追踪的性能对比

Vue 响应式系统中数组与普通对象的依赖收集差异：索引追踪与属性追踪的性能对比

大家好，今天我们来深入探讨 Vue 响应式系统中，数组和普通对象在依赖收集机制上的差异，以及这些差异对性能的影响。Vue 的响应式系统是其核心功能之一，它允许我们在数据发生变化时，自动更新视图。理解其底层原理，特别是数组和对象的不同处理方式，对于编写高性能的 Vue 应用至关重要。

1. 响应式系统的基础：依赖收集

在深入数组和对象的差异之前，我们先简单回顾一下 Vue 响应式系统的基础概念：依赖收集。

Vue 使用 Object.defineProperty (Vue 3.0 以后使用 Proxy) 来拦截对象属性的读取和设置操作。当我们在模板中使用一个响应式对象的属性时，Vue 会记录下这个依赖关系，也就是将该组件的渲染函数（或其他依赖于该属性的回调函数）添加到该属性的依赖列表中。

当该属性的值发生改变时，Vue 会通知其依赖列表中的所有订阅者，触发它们执行更新操作。这个过程可以概括为以下几个步骤：

1. 数据劫持 (Data Observation): 使用 Object.defineProperty 或 Proxy 对数据对象进行劫持，监听属性的读取（get）和设置（set）操作。

2. 依赖收集 (Dependency Collection): 在读取属性时，将当前的 Watcher 对象（通常是组件的渲染函数）添加到该属性的依赖列表中。

3. 触发更新 (Update Triggering): 当属性值发生改变时，通知其依赖列表中的所有 Watcher 对象，触发它们执行更新操作。

2. 普通对象的依赖追踪：属性追踪

对于普通对象，Vue 的响应式系统采用的是属性追踪 (Property Tracking) 的方式。这意味着，每个属性都有其独立的依赖列表。

例如，我们有以下对象：

const obj = {
  name: 'Vue',
  version: '3.0',
};

// 将 obj 转化为响应式对象 (这里省略了 Vue 内部的实现细节)
const reactiveObj = reactive(obj);

当我们访问 reactiveObj.name 时，name 属性的依赖列表会被填充；当我们访问 reactiveObj.version 时，version 属性的依赖列表会被填充。 修改 reactiveObj.name 只会触发 name 属性依赖列表中的 Watcher 对象，而不会影响 version 属性的依赖。

下面是一个简化的代码示例，说明了属性追踪的原理：

class Dep {
  constructor() {
    this.subs = []; // 存储依赖该属性的 Watcher 对象
  }

  depend() {
    if (Dep.target && !this.subs.includes(Dep.target)) {
      this.subs.push(Dep.target);
    }
  }

  notify() {
    this.subs.forEach(sub => sub.update());
  }
}

Dep.target = null; // 当前正在执行的 Watcher 对象

class Watcher {
  constructor(getter, callback) {
    this.getter = getter;
    this.callback = callback;
    this.value = this.get(); // 立即执行 getter，触发依赖收集
  }

  get() {
    Dep.target = this; // 将当前 Watcher 对象设置为全局的 Dep.target
    const value = this.getter(); // 执行 getter，触发依赖收集
    Dep.target = null; // 清空 Dep.target
    return value;
  }

  update() {
    const newValue = this.getter();
    if (newValue !== this.value) {
      this.callback(newValue, this.value);
      this.value = newValue;
    }
  }
}

function defineReactive(obj, key, val) {
  const dep = new Dep(); // 每个属性都有一个独立的 Dep 对象

  Object.defineProperty(obj, key, {
    get() {
      dep.depend(); // 依赖收集
      return val;
    },
    set(newVal) {
      if (newVal !== val) {
        val = newVal;
        dep.notify(); // 触发更新
      }
    },
  });
}

function reactive(obj) {
  for (const key in obj) {
    defineReactive(obj, key, obj[key]);
  }
  return obj;
}

// 示例用法
const data = {
  name: 'Vue',
  version: '3.0',
};

const reactiveData = reactive(data);

new Watcher(
  () => reactiveData.name,
  (newValue, oldValue) => {
    console.log(`name changed from ${oldValue} to ${newValue}`);
  }
);

new Watcher(
  () => reactiveData.version,
  (newValue, oldValue) => {
    console.log(`version changed from ${oldValue} to ${newValue}`);
  }
);

reactiveData.name = 'Vue.js'; // 输出: name changed from Vue to Vue.js
reactiveData.version = '3.2'; // 输出: version changed from 3.0 to 3.2

在这个简化的例子中，defineReactive 函数为对象的每个属性创建了一个独立的 Dep 对象。当属性被访问时，dep.depend() 会将当前的 Watcher 对象添加到 dep.subs 数组中。当属性的值发生改变时，dep.notify() 会通知 dep.subs 数组中的所有 Watcher 对象。

3. 数组的依赖追踪：索引追踪与原型方法劫持

与普通对象不同，Vue 对数组的响应式处理方式更为复杂。主要原因在于，数组的元素可以通过索引访问和修改，也可以通过 push、pop、shift、unshift、splice、sort、reverse 等方法进行修改。

为了实现数组的响应式，Vue 采用了两种策略：

• 索引追踪 (Index Tracking): 对数组的每个索引进行依赖收集，类似于普通对象的属性追踪。
• 原型方法劫持 (Prototype Method Interception): 劫持数组的原型方法，以便在这些方法被调用时，触发更新。

3.1 索引追踪

Vue 会尝试追踪数组中每个索引的依赖关系。这意味着，当我们访问 reactiveArray[0] 时，Vue 会将当前的 Watcher 对象添加到索引 0 的依赖列表中。

但是，这种方式存在一个问题：当数组非常大时，追踪所有索引的依赖关系会带来巨大的性能开销。因此，Vue 对索引追踪进行了一定的优化。

Vue 并不是对数组的所有索引都进行追踪，而是只追踪被访问过的索引。这意味着，只有当我们访问了 reactiveArray[0]，Vue 才会对索引 0 进行依赖收集。如果我们从未访问过 reactiveArray[10000]，Vue 就不会对索引 10000 进行依赖收集。

3.2 原型方法劫持

为了监听数组的修改操作，Vue 劫持了数组的原型方法。这意味着，当我们调用 reactiveArray.push()、reactiveArray.pop() 等方法时，Vue 可以拦截这些操作，并触发更新。

Vue 通过创建一个新的数组原型对象，并将原始数组原型对象作为其原型来实现方法劫持。这个新的数组原型对象包含了被劫持的方法。

下面是一个简化的代码示例，说明了原型方法劫持的原理：

const arrayProto = Array.prototype;
const arrayMethods = Object.create(arrayProto);

const methodsToPatch = [
  'push',
  'pop',
  'shift',
  'unshift',
  'splice',
  'sort',
  'reverse',
];

methodsToPatch.forEach(method => {
  // 缓存原始方法
  const original = arrayProto[method];

  Object.defineProperty(arrayMethods, method, {
    enumerable: false,
    writable: true,
    configurable: true,
    value: function mutator(...args) {
      const result = original.apply(this, args);
      const ob = this.__ob__; // 获取 Observer 实例
      let inserted;
      switch (method) {
        case 'push':
        case 'unshift':
          inserted = args;
          break;
        case 'splice':
          inserted = args.slice(2);
          break;
      }
      if (inserted) {
        ob.observeArray(inserted); // 对新增的元素进行响应式处理
      }
      ob.dep.notify(); // 触发更新
      return result;
    },
  });
});

class Observer {
  constructor(value) {
    this.value = value;
    this.dep = new Dep(); // 数组有一个独立的 Dep 对象
    Object.defineProperty(value, '__ob__', {
      value: this,
      enumerable: false,
      writable: true,
      configurable: true,
    });

    if (Array.isArray(value)) {
      value.__proto__ = arrayMethods; // 将数组的原型指向劫持后的原型对象
      this.observeArray(value);
    } else {
      this.walk(value);
    }
  }

  walk(obj) {
    for (const key in obj) {
      defineReactive(obj, key, obj[key]);
    }
  }

  observeArray(items) {
    for (let i = 0, l = items.length; i < l; i++) {
      observe(items[i]); // 对数组的每个元素进行响应式处理
    }
  }
}

function observe(value) {
  if (typeof value !== 'object' || value === null) {
    return;
  }
  let ob;
  if (value.hasOwnProperty('__ob__') && value.__ob__ instanceof Observer) {
    ob = value.__ob__;
  } else {
    ob = new Observer(value);
  }
  return ob;
}

function reactive(obj) {
  observe(obj);
  return obj;
}

// 示例用法
const data = [1, 2, 3];
const reactiveData = reactive(data);

new Watcher(
  () => reactiveData.length, // 监听数组长度的变化
  (newValue, oldValue) => {
    console.log(`array length changed from ${oldValue} to ${newValue}`);
  }
);

reactiveData.push(4); // 输出: array length changed from 3 to 4
reactiveData[0] = 10; // 不会触发长度更新，需要单独监听reactiveData[0]

在这个例子中，arrayMethods 对象包含了被劫持的数组原型方法。当我们调用 reactiveData.push(4) 时，实际上调用的是 arrayMethods.push(4)。在 arrayMethods.push 方法中，我们首先调用原始的 push 方法，然后触发更新。

注意： 数组的依赖收集和更新触发与普通对象有所不同。对于数组，通常会有一个专门的 Dep 对象与数组本身关联，而不是像对象那样每个属性都有一个 Dep 对象。当数组的任何元素发生变化（无论是通过索引修改还是通过原型方法修改），都会触发这个 Dep 对象的更新，从而通知所有依赖该数组的 Watcher 对象。

4. 性能对比：索引追踪 vs. 属性追踪

特性	普通对象 (属性追踪)	数组 (索引追踪 + 原型方法劫持)
依赖收集方式	每个属性独立追踪	索引追踪 (只追踪被访问过的索引) + 原型方法劫持
更新粒度	属性级别	数组级别 (所有元素共享一个 Dep 对象)
适用场景	属性数量较少，且属性变化频繁的对象	需要监听数组内容变化的情况
性能开销	属性数量较多时，内存开销较大	数组长度较大时，索引追踪和原型方法劫持可能会带来性能开销
优化策略	无	避免不必要的索引访问，使用 v-for 的 key 属性，避免频繁操作数组 (如大量插入/删除)

普通对象的属性追踪的优势：

• 更新粒度更细： 只有被修改的属性才会触发更新，避免了不必要的更新。
• 内存占用可控： 每个属性都有独立的依赖列表，不会因为属性数量过多而导致内存占用过高。

普通对象的属性追踪的劣势：

• 无法监听新增/删除属性： 使用 Object.defineProperty 无法监听新增或删除属性。 Vue 3.0 使用 Proxy 解决了这个问题.

数组的索引追踪 + 原型方法劫持的优势：

• 可以监听数组的各种修改操作： 无论是通过索引修改还是通过原型方法修改，都可以触发更新。

数组的索引追踪 + 原型方法劫持的劣势：

• 性能开销较大： 当数组非常大时，追踪所有索引的依赖关系会带来巨大的性能开销。 原型方法劫持也会增加一定的开销。
• 更新粒度较粗： 任何元素的修改都会触发整个数组的更新，可能会导致不必要的更新。

总结来说：

• 对于属性数量较少，且属性变化频繁的对象，属性追踪是更优的选择。
• 对于需要监听数组内容变化的情况，索引追踪 + 原型方法劫持是必要的，但需要注意性能优化。

5. 优化策略

了解了数组和对象在依赖收集上的差异之后，我们可以采取一些优化策略来提高 Vue 应用的性能。

针对数组：

1. 避免不必要的索引访问： 只访问需要使用的数组元素，避免遍历整个数组。
2. 使用 v-for 的 key 属性： key 属性可以帮助 Vue 更好地追踪数组元素的更新，避免不必要的重新渲染。
3. 避免频繁操作数组： 频繁的插入/删除操作可能会导致性能问题。可以考虑使用其他数据结构，如链表或 Map。
4. 使用 splice 方法时，尽量批量操作： 批量操作可以减少更新的次数。
5. 对于不需要响应式的数组，可以使用 Object.freeze() 将其冻结： 冻结后的数组无法被修改，从而避免了响应式系统的开销。
6. 在大型列表中使用虚拟滚动： 虚拟滚动只渲染可见区域内的元素，可以显著提高性能。

针对对象：

1. 使用 Object.assign() 或扩展运算符 (...) 来批量更新对象属性： 这样可以减少更新的次数。
2. 避免在模板中直接修改对象属性： 应该通过方法来修改对象属性，以便 Vue 可以正确地追踪更新。
3. 对于不需要响应式的对象，可以使用 Object.freeze() 将其冻结。
4. Vue3 使用 Proxy 可以监听新增/删除属性，但是 Proxy 也有一定的性能开销，需要权衡使用。

6. Vue 3 的改进：Proxy 的使用

Vue 3.0 使用 Proxy 替代了 Object.defineProperty 来实现响应式系统。Proxy 提供了更强大的拦截能力，可以监听更多类型的操作，例如属性的添加和删除。

使用 Proxy 的优势：

• 可以监听新增/删除属性： 这是 Object.defineProperty 无法做到的。
• 性能更好： 在某些情况下，Proxy 的性能比 Object.defineProperty 更好。
• 代码更简洁： 使用 Proxy 可以减少代码量，提高可读性。

但是，Proxy 也有一些缺点：

• 兼容性问题： Proxy 在一些旧版本的浏览器中不支持。
• 性能开销： 在某些情况下，Proxy 的性能开销可能会比较大。

7.总结数组与普通对象的依赖收集机制

普通对象采用属性追踪，每个属性拥有独立依赖列表，更新粒度细但无法监听新增/删除属性。数组采用索引追踪与原型方法劫持，能监听各种修改，但性能开销较大，需优化。Vue 3 使用 Proxy 改善了响应式系统，但也需权衡兼容性和性能。

更多IT精英技术系列讲座，到智猿学院