Vue渲染器中的DOM操作批处理：利用调度器减少回流（Reflow）与重绘（Repaint）

好的，我们开始今天的讲座。

Vue 渲染器中的 DOM 操作批处理：利用调度器减少回流与重绘

大家好，今天我们将深入探讨 Vue 渲染器中的一个关键优化策略：DOM 操作的批处理，以及如何利用调度器来减少回流（Reflow）和重绘（Repaint），从而提升应用的性能。

1. 渲染的代价：回流与重绘

在深入 Vue 的优化策略之前，我们需要理解浏览器渲染的基本概念以及性能瓶颈所在。当浏览器接收到 HTML、CSS 和 JavaScript 代码后，会进行一系列的处理，最终将页面呈现在用户面前。这个过程大致可以分为以下几个步骤：

1. 构建 DOM 树 (DOM Tree)：解析 HTML 代码，构建代表页面结构的 DOM 树。
2. 构建 CSSOM 树 (CSSOM Tree)：解析 CSS 代码，构建代表样式信息的 CSSOM 树。
3. 渲染树 (Render Tree)：将 DOM 树和 CSSOM 树合并，生成渲染树。渲染树只包含需要显示的节点，并且包含了节点的样式信息。
4. 布局 (Layout / Reflow)：计算渲染树中每个节点的位置和大小。这是一个自上而下的过程，会影响文档中所有受影响的元素。
5. 绘制 (Paint / Repaint)：将渲染树中的节点绘制到屏幕上。

其中，回流（Reflow） 和 重绘（Repaint） 是性能消耗的主要来源。

• 回流（Reflow）：当渲染树中的元素的尺寸、位置、可见性等发生变化时，浏览器需要重新计算元素的几何属性，并重新构建渲染树。这是一个代价非常高的操作，因为它会影响文档中的所有受影响的元素。

• 重绘（Repaint）：当渲染树中的元素的样式发生变化，但没有影响其几何属性时（例如，改变颜色、背景色等），浏览器只需要重新绘制元素。这是一个相对回流来说代价较低的操作。

任何导致回流的操作都会触发重绘，而重绘不一定会触发回流。 因此，优化的目标是尽量减少回流和重绘的发生。

常见引起回流的操作包括：

• 改变窗口大小
• 改变字体
• 添加或删除 DOM 元素
• 改变元素的位置（移动）
• 改变元素的尺寸（大小）
• 内容改变（例如，用户在输入框中输入文本）
• 激活 CSS 伪类（例如 :hover）
• 查询某些属性或调用某些方法（例如：offsetWidth、offsetHeight、offsetTop、offsetLeft、scrollWidth、scrollHeight、scrollTop、scrollLeft、clientWidth、clientHeight、getComputedStyle()）

2. Vue 的响应式系统与 DOM 更新

Vue 的响应式系统是实现数据驱动视图的核心。当数据发生变化时，Vue 会自动更新视图。但是，如果每次数据变化都立即触发 DOM 更新，将会导致大量的回流和重绘，严重影响性能。

Vue 通过以下机制来优化 DOM 更新：

• 虚拟 DOM (Virtual DOM)：Vue 使用虚拟 DOM 来描述页面的结构。当数据发生变化时，Vue 会创建一个新的虚拟 DOM 树，并与旧的虚拟 DOM 树进行比较（Diff 算法），找出需要更新的节点。

• Diff 算法：Vue 的 Diff 算法能够高效地找出新旧虚拟 DOM 树之间的差异，并只更新实际发生变化的 DOM 节点。

• 异步更新队列 (Update Queue)：Vue 不会立即将数据变化应用到 DOM 上，而是将更新操作放入一个异步更新队列中。

3. 调度器 (Scheduler)：批处理 DOM 操作的核心

调度器是 Vue 异步更新队列的核心组件。它的主要作用是将多个 DOM 更新操作合并成一个批处理，并在下一个事件循环中执行，从而减少回流和重绘的次数。

Vue 的调度器主要做了以下几件事情：

1. 收集依赖 (Collect Dependencies)：当组件的响应式数据发生变化时，会触发相应的 Watcher 对象。Watcher 对象会将自身的更新函数（通常是组件的渲染函数）添加到调度器队列中。
2. 去重 (Deduplication)：调度器会对队列中的 Watcher 对象进行去重，确保同一个 Watcher 对象只会被执行一次。
3. 排序 (Sorting)：调度器会对队列中的 Watcher 对象进行排序，确保父组件的更新先于子组件的更新。
4. 执行更新 (Flush Queue)：在下一个事件循环中，调度器会依次执行队列中的 Watcher 对象的更新函数，从而更新 DOM。

4. 调度器的实现原理

Vue 调度器的实现涉及以下几个关键步骤：

1. queueWatcher(watcher) 函数：这个函数用于将 Watcher 对象添加到调度器队列中。

let has = {}; // 用于去重
let queue = []; // 调度器队列
let waiting = false; // 是否正在等待刷新队列
let flushing = false; // 是否正在刷新队列
let index = 0; // 当前队列中的索引

function queueWatcher (watcher) {
  const id = watcher.id;
  if (has[id] == null) {
    has[id] = true;
    if (!flushing) {
      queue.push(watcher);
    } else {
      // 如果正在刷新队列，则根据 watcher 的 id 将其插入到队列的合适位置
      let i = queue.length - 1;
      while (i > index && queue[i].id > watcher.id) {
        i--;
      }
      queue.splice(i + 1, 0, watcher);
    }
    // 如果当前没有等待刷新队列，则开始刷新队列
    if (!waiting) {
      waiting = true;
      nextTick(flushSchedulerQueue); // 使用 nextTick 延迟执行 flushSchedulerQueue
    }
  }
}

2. flushSchedulerQueue() 函数：这个函数用于刷新调度器队列，执行 Watcher 对象的更新函数。

function flushSchedulerQueue () {
  flushing = true;
  let watcher, id;

  // 对队列进行排序，确保父组件的更新先于子组件的更新
  queue.sort((a, b) => a.id - b.id);

  // 循环执行队列中的 Watcher 对象的更新函数
  for (index = 0; index < queue.length; index++) {
    watcher = queue[index];
    id = watcher.id;
    has[id] = null; // 清除 has 标记，以便下次可以重新添加
    watcher.run(); // 执行 watcher 的更新函数
  }

  // 清空队列
  waiting = flushing = false;
  queue = [];
  has = {};
  index = 0;
}

3. nextTick(cb) 函数：这个函数用于将回调函数延迟到下一个事件循环中执行。Vue 使用 nextTick 来延迟执行 flushSchedulerQueue 函数，从而实现 DOM 操作的批处理。

let callbacks = [];
let pending = false;

function flushCallbacks () {
  pending = false;
  const copies = callbacks.slice(0);
  callbacks.length = 0;
  for (let i = 0; i < copies.length; i++) {
    copies[i]();
  }
}

let timerFunc;

if (typeof Promise !== 'undefined') {
  // 使用 Promise
  timerFunc = () => {
    Promise.resolve().then(flushCallbacks);
  };
} else if (typeof MutationObserver !== 'undefined') {
  // 使用 MutationObserver
  let counter = 1;
  const observer = new MutationObserver(flushCallbacks);
  const textNode = document.createTextNode(String(counter));
  observer.observe(textNode, {
    characterData: true
  });
  timerFunc = () => {
    counter = (counter + 1) % 2;
    textNode.data = String(counter);
  };
} else if (typeof setImmediate !== 'undefined') {
  // 使用 setImmediate
  timerFunc = () => {
    setImmediate(flushCallbacks);
  };
} else {
  // 使用 setTimeout
  timerFunc = () => {
    setTimeout(flushCallbacks, 0);
  };
}

function nextTick (cb) {
  callbacks.push(cb);
  if (!pending) {
    pending = true;
    timerFunc();
  }
}

nextTick 的实现会根据环境选择不同的方法，优先级依次是 Promise、MutationObserver、setImmediate 和 setTimeout。 这样设计是为了在不同浏览器和环境中尽可能地利用性能更好的 API。

5. 一个简单的例子

假设我们有以下 Vue 组件：

<template>
  <div>
    <p>Count: {{ count }}</p>
    <button @click="increment">Increment</button>
  </div>
</template>

<script>
export default {
  data() {
    return {
      count: 0
    };
  },
  methods: {
    increment() {
      this.count++;
      this.count++;
      this.count++;
    }
  }
};
</script>

当我们点击按钮时，increment 方法会被调用，count 的值会增加三次。如果没有调度器，每次 count 的变化都会立即触发 DOM 更新，导致三次回流和重绘。

但是，有了调度器，这三个 count 的变化会被合并成一个批处理，并在下一个事件循环中执行。因此，只会发生一次回流和重绘。

6. 调度器的优势

使用调度器进行 DOM 操作的批处理可以带来以下优势：

• 减少回流和重绘：通过将多个 DOM 操作合并成一个批处理，可以显著减少回流和重绘的次数，从而提高应用的性能。
• 提高响应速度：通过异步更新 DOM，可以避免阻塞主线程，从而提高应用的响应速度。
• 优化用户体验：通过减少回流和重绘，可以提高页面的流畅度，从而优化用户体验。

7. 实际应用中的注意事项

尽管 Vue 的调度器已经做了很多优化，但在实际应用中，我们仍然需要注意以下几点：

• 避免强制同步布局：强制同步布局是指在更新 DOM 之后，立即读取某些 DOM 属性，例如 offsetWidth、offsetHeight 等。这会导致浏览器立即进行回流，从而破坏了批处理的优化效果。 应该尽可能避免这种情况，可以将需要读取的 DOM 属性缓存起来，或者在下一个事件循环中读取。

• 合理使用 nextTick：虽然 nextTick 可以用于在 DOM 更新之后执行某些操作，但过度使用 nextTick 也会导致性能问题。 应该只在必要的时候使用 nextTick，例如，需要在 DOM 更新之后获取元素的尺寸或位置。

• 减少不必要的 DOM 操作：尽量减少不必要的 DOM 操作，例如，避免频繁地添加或删除 DOM 元素。 可以使用 Vue 的 v-if 和 v-show 指令来控制元素的显示和隐藏，而不是直接添加或删除 DOM 元素。

8. Vue3 的改变：更细粒度的更新

Vue 3 在调度器方面进行了一些改进，使其能够更细粒度地控制更新。例如，通过使用 Proxy，Vue 3 可以追踪到更精确的依赖关系，从而避免不必要的组件更新。 Composition API 的引入也使得组件的逻辑更加模块化，更容易进行优化。

9. 优化案例

假设我们需要创建一个动态列表，列表中的每个元素都有一个删除按钮。 当点击删除按钮时，我们需要从列表中删除该元素。

优化前 (低效的实现)：

<template>
  <ul>
    <li v-for="item in list" :key="item.id">
      {{ item.name }}
      <button @click="removeItem(item.id)">删除</button>
    </li>
  </ul>
</template>

<script>
export default {
  data() {
    return {
      list: [
        { id: 1, name: 'Item 1' },
        { id: 2, name: 'Item 2' },
        { id: 3, name: 'Item 3' }
      ]
    };
  },
  methods: {
    removeItem(id) {
      this.list = this.list.filter(item => item.id !== id); // 直接修改 list
    }
  }
};
</script>

在这个例子中，每次删除一个元素，都会触发整个列表的重新渲染，导致不必要的回流和重绘。

优化后 (高效的实现)：

<template>
  <ul>
    <li v-for="item in list" :key="item.id">
      {{ item.name }}
      <button @click="removeItem(item.id, $event)">删除</button>
    </li>
  </ul>
</template>

<script>
export default {
  data() {
    return {
      list: [
        { id: 1, name: 'Item 1' },
        { id: 2, name: 'Item 2' },
        { id: 3, name: 'Item 3' }
      ]
    };
  },
  methods: {
    removeItem(id, event) {
      // 1. 找到要删除的元素在数组中的索引
      const index = this.list.findIndex(item => item.id === id);

      if (index !== -1) {
        // 2. 使用 splice 方法删除元素，这只会影响被删除的元素及其之后的元素
        this.list.splice(index, 1);

        // 3. (可选) 手动移除 DOM 节点，进一步减少回流
        // event.target.parentNode.remove();
      }
    }
  }
};
</script>

改进说明：

1. 使用 splice 方法： splice 方法会直接修改原数组，但只会影响被删除的元素及其之后的元素，而不是整个列表。
2. (可选) 手动移除 DOM 节点： 使用event.target.parentNode.remove()可以立即从DOM中移除被点击的元素，避免Vue重新渲染整个列表。这是一种更激进的优化，但可以进一步减少回流。需要谨慎使用，确保不会影响组件的正常功能。

表格总结：优化策略与效果

优化策略	描述	效果
使用虚拟 DOM 和 Diff 算法	Vue 使用虚拟 DOM 来描述页面的结构，并使用 Diff 算法来找出新旧虚拟 DOM 树之间的差异，只更新实际发生变化的 DOM 节点。	减少不必要的 DOM 操作，提高更新效率。
使用调度器进行批处理	Vue 使用调度器将多个 DOM 操作合并成一个批处理，并在下一个事件循环中执行。	减少回流和重绘的次数，提高应用的性能。
避免强制同步布局	避免在更新 DOM 之后，立即读取某些 DOM 属性，例如 offsetWidth、offsetHeight 等。	防止浏览器立即进行回流，保持批处理的优化效果。
合理使用 nextTick	只在必要的时候使用 nextTick，例如，需要在 DOM 更新之后获取元素的尺寸或位置。	避免过度使用 nextTick 导致性能问题。
减少不必要的 DOM 操作	尽量减少不必要的 DOM 操作，例如，避免频繁地添加或删除 DOM 元素。	减少回流和重绘的次数。
使用 splice 精确更新数组	使用 splice 方法而不是直接替换数组来删除或修改数组元素。	避免触发整个列表的重新渲染，只影响被修改的元素及其之后的元素。
手动移除 DOM 节点	通过 event.target.parentNode.remove() 手动从 DOM 中移除被删除的元素。	立即从 DOM 中移除元素，避免 Vue 重新渲染整个列表，进一步减少回流。需要谨慎使用，确保不会影响组件的正常功能。

10. 总结

Vue 的调度器是优化 DOM 操作的关键组件。 它通过虚拟 DOM、Diff算法以及异步更新队列来实现高效的 DOM 更新。 了解调度器的原理和使用方法，可以帮助我们编写更高效的 Vue 应用。在实际开发中，我们应该避免强制同步布局，合理使用 nextTick，并减少不必要的 DOM 操作，从而最大限度地提高应用的性能。

DOM操作的批处理：关键技术点

• Vue的调度器通过虚拟DOM、Diff算法和异步更新队列实现优化。
• 避免强制同步布局，合理使用nextTick，减少不必要的DOM操作。
• 了解调度器的原理，有助于编写更高效的Vue应用。

更多IT精英技术系列讲座，到智猿学院