Vue VDOM的指令集架构（Instruction Set Architecture）抽象：优化VNode到DOM操作的转换效率 - 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 VDOM 指令集架构：优化 VNode 到 DOM 操作的转换效率

大家好，今天我们来深入探讨 Vue.js 中 Virtual DOM (VDOM) 的指令集架构，以及它如何优化 VNode 到 DOM 操作的转换效率。理解这个架构对于深入理解 Vue.js 的渲染机制至关重要。

1. VDOM 及其存在的意义

在传统的 DOM 操作中，直接修改 DOM 往往会带来性能问题，因为 DOM 操作代价昂贵，频繁的操作会导致页面卡顿。 Virtual DOM 的核心思想是将真实的 DOM 抽象成一个 JavaScript 对象树，称为 VNode 树。通过在内存中进行 VNode 树的差异比较 (Diff) ，最小化真实 DOM 的操作，从而提高性能。

VDOM 的主要优势在于：

减少 DOM 操作： 通过 diff 算法找出需要更新的部分，只更新必要的 DOM 节点。
提高性能： 减少了直接操作 DOM 的次数，降低了浏览器重绘和重排的频率。
跨平台能力： VDOM 可以被渲染到不同的平台上，例如浏览器、Native 应用等。

2. VNode 结构

在 Vue.js 中，VNode 是对真实 DOM 节点的一个抽象表示。它是一个 JavaScript 对象，包含了描述 DOM 节点所需的所有信息，例如：

tag: 节点标签名，如 ‘div’，’span’。
data: 节点属性，如 class，style，attrs 等。
children: 子节点，一个 VNode 数组。
text: 文本节点的内容。
elm: 对应的真实 DOM 节点引用。
key: 用于 DOM Diff 算法的唯一标识。
componentOptions: 组件选项，如果 VNode 代表一个组件，则包含组件的选项。
componentInstance: 组件实例，如果 VNode 代表一个组件，则指向组件的实例。
context: 组件的上下文，指向组件的 Vue 实例。

一个简单的 VNode 示例：

{
  tag: 'div',
  data: {
    attrs: {
      id: 'app'
    },
    class: {
      'container': true
    }
  },
  children: [
    {
      tag: 'h1',
      data: null,
      children: [
        {
          tag: undefined,
          data: null,
          children: undefined,
          text: 'Hello Vue!',
          elm: undefined,
          key: undefined,
          componentOptions: undefined,
          componentInstance: undefined,
          context: undefined
        }
      ],
      elm: undefined,
      key: undefined,
      componentOptions: undefined,
      componentInstance: undefined,
      context: undefined
    }
  ],
  elm: undefined,
  key: undefined,
  componentOptions: undefined,
  componentInstance: undefined,
  context: undefined
}

3. Diff 算法：核心所在

Diff 算法是 VDOM 的核心，它负责比较新旧 VNode 树，找出需要更新的部分。 Vue.js 使用了一种优化的 Diff 算法，其主要特点包括：

同层比较： 只比较同一层级的节点，不会跨层级比较。
Key 的作用： 通过 key 属性来标识节点的唯一性，方便算法进行节点复用和移动。
优化策略： 采用多种优化策略，例如 patchVnode 函数，来减少不必要的 DOM 操作。

Diff 算法的基本流程如下：

判断是否为相同节点： 首先比较新旧 VNode 的 tag 和 key 是否相同。如果不同，则直接替换整个节点。
更新节点属性： 如果是相同节点，则更新节点的属性，例如 class，style，attrs 等。
更新子节点： 如果存在子节点，则递归地对子节点进行 Diff 算法。

Diff 算法的具体实现比较复杂，涉及到多种优化策略，例如：

updateChildren 函数： 用于更新子节点的函数，采用了双指针算法来提高效率。
节点复用： 如果新旧 VNode 中存在相同的节点，则尽可能地复用旧节点，而不是创建新的节点。
节点移动： 如果节点的位置发生了变化，则通过移动 DOM 节点来实现更新，而不是重新创建节点。

4. 指令集架构：连接 VNode 和 DOM 的桥梁

Vue.js 的指令集架构可以看作是 VNode 到 DOM 操作的抽象。它定义了一系列指令，每个指令负责执行特定的 DOM 操作，例如：

创建节点： 创建新的 DOM 节点。
更新属性： 更新 DOM 节点的属性。
插入节点： 将 DOM 节点插入到指定的位置。
删除节点： 删除 DOM 节点。
更新文本： 更新文本节点的内容。

这些指令被封装成一个个函数，Diff 算法会根据 VNode 的差异，选择合适的指令来执行 DOM 操作。

指令集架构的主要优势在于：

解耦： 将 VNode 和 DOM 操作解耦，使得 VNode 的更新和 DOM 操作可以独立进行。
可扩展性： 可以方便地添加新的指令，来支持新的 DOM 操作。
优化： 可以针对不同的 DOM 操作进行优化，提高性能。

5. 指令集架构的具体实现

在 Vue.js 的源码中，指令集架构主要由以下几个部分组成：

patch 函数： patch 函数是整个 VDOM 更新的核心入口。它接收两个 VNode 作为参数，分别代表新旧 VNode 树，然后通过 Diff 算法找出差异，并执行相应的指令来更新 DOM。
createElm 函数： createElm 函数负责创建真实的 DOM 节点。它会根据 VNode 的类型，创建不同的 DOM 节点，例如元素节点、文本节点、注释节点等。
updateChildren 函数： updateChildren 函数负责更新子节点。它采用了双指针算法，可以高效地比较新旧子节点列表，并执行相应的插入、删除、移动操作。
patchVnode 函数： patchVnode 函数负责更新相同节点的属性和子节点。它会比较新旧 VNode 的属性，并更新 DOM 节点的属性。

下面是一些核心函数的代码片段（简化版，仅用于说明原理）：

patch 函数 (简化版):

function patch(oldVnode, vnode) {
  if (!oldVnode) {
    // 创建新的 DOM 节点
    createElm(vnode);
  } else if (sameVnode(oldVnode, vnode)) {
    // 更新节点
    patchVnode(oldVnode, vnode);
  } else {
    // 替换节点
    const parentElm = oldVnode.elm.parentNode;
    createElm(vnode);
    parentElm.insertBefore(vnode.elm, oldVnode.elm);
    removeVnodes([oldVnode], 0, 0); // 移除旧节点
  }
  return vnode.elm;
}

createElm 函数 (简化版):

function createElm(vnode) {
  const tag = vnode.tag;
  if (tag) {
    // 创建元素节点
    vnode.elm = document.createElement(tag);
    // 更新属性
    updateProperties(vnode);
    // 创建子节点
    createChildren(vnode, vnode.children);
  } else {
    // 创建文本节点
    vnode.elm = document.createTextNode(vnode.text);
  }
  return vnode.elm;
}

patchVnode 函数 (简化版):

function patchVnode(oldVnode, vnode) {
  const elm = vnode.elm = oldVnode.elm;

  if (oldVnode === vnode) {
    return;
  }

  if (vnode.text !== undefined && (oldVnode.text !== vnode.text)) {
    // 更新文本节点
    elm.textContent = vnode.text;
  } else {
    // 更新属性
    updateProperties(vnode, oldVnode.data);
    // 更新子节点
    updateChildren(elm, oldVnode.children, vnode.children);
  }
}

updateChildren 函数 (简化版):

function updateChildren(parentElm, oldCh, newCh) {
  let oldStartIdx = 0;
  let newStartIdx = 0;
  let oldEndIdx = oldCh.length - 1;
  let newEndIdx = newCh.length - 1;
  let oldStartVnode = oldCh[oldStartIdx];
  let newStartVnode = newCh[newStartIdx];
  let oldEndVnode = oldCh[oldEndIdx];
  let newEndVnode = newCh[newEndIdx];

  while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {
    if (!oldStartVnode) {
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]; // Vnode might have been moved left
    } else if (!oldEndVnode) {
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx];
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
      patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode);
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx];
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx];
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
      patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode);
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx];
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx];
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) { // Vnode moved right
      patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode);
      parentElm.insertBefore(oldStartVnode.elm, oldEndVnode.elm.nextSibling);
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx];
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx];
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) { // Vnode moved left
      patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode);
      parentElm.insertBefore(oldEndVnode.elm, oldStartVnode.elm);
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx];
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx];
    } else {
      // 创建新节点并插入
      const newElm = createElm(newStartVnode);
      parentElm.insertBefore(newElm, oldStartVnode.elm);
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx];
    }
  }

  // 处理剩余的旧节点或新节点
  if (oldStartIdx > oldEndIdx) {
    // 新节点有剩余，创建并插入
    for (; newStartIdx <= newEndIdx; ++newStartIdx) {
      const newElm = createElm(newCh[newStartIdx]);
      parentElm.insertBefore(newElm, oldCh[oldStartIdx] ? oldCh[oldStartIdx].elm : null);
    }
  } else if (newStartIdx > newEndIdx) {
    // 旧节点有剩余，删除
    removeVnodes(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx);
  }
}

这些函数共同协作，完成了 VNode 到 DOM 的转换过程。 patch 函数作为入口，根据 VNode 的差异调用 createElm，patchVnode 和 updateChildren 等函数来更新 DOM。

6. 指令优化策略

为了进一步提高性能，Vue.js 采用了一些指令优化策略，例如：

静态节点优化： 对于静态节点，Vue.js 会进行静态分析，将它们标记为静态节点。静态节点在更新过程中会被跳过，从而减少 Diff 算法的计算量。
事件监听优化： Vue.js 会对事件监听进行优化，例如使用事件委托来减少事件监听器的数量。
属性更新优化： Vue.js 会对属性更新进行优化，例如只更新发生变化的属性。

7. 表格总结核心概念

概念	描述	作用
VNode	Virtual DOM 节点，是对真实 DOM 节点的抽象表示。	减少直接 DOM 操作，提高性能。
Diff 算法	比较新旧 VNode 树，找出需要更新的部分。	最小化真实 DOM 的操作，提高性能。
指令集架构	VNode 到 DOM 操作的抽象，定义了一系列指令来执行特定的 DOM 操作。	解耦 VNode 和 DOM 操作，提高可扩展性和优化空间。
`patch` 函数	VDOM 更新的核心入口，负责比较新旧 VNode 树，并执行相应的指令来更新 DOM。	连接 Diff 算法和 DOM 操作，完成 VNode 到 DOM 的转换。
`createElm` 函数	创建真实的 DOM 节点。	将 VNode 转换为真实的 DOM 节点。
`updateChildren` 函数	更新子节点，采用了双指针算法来提高效率。	高效地比较新旧子节点列表，并执行相应的插入、删除、移动操作。
静态节点优化	对于静态节点，Vue.js 会进行静态分析，将它们标记为静态节点。静态节点在更新过程中会被跳过，从而减少 Diff 算法的计算量。	减少 Diff 算法的计算量，提高性能。

8. 未来展望

随着 Web 技术的不断发展，VDOM 技术也在不断演进。未来 VDOM 的发展方向可能包括：

更智能的 Diff 算法： 采用更先进的算法，例如基于机器学习的 Diff 算法，来进一步提高 Diff 算法的效率。
更细粒度的更新： 将 DOM 操作分解成更细粒度的指令，例如只更新文本节点的一部分内容，从而减少 DOM 操作的范围。
与 WebAssembly 的结合： 将 VDOM 的部分逻辑移植到 WebAssembly 中，利用 WebAssembly 的高性能来提高 VDOM 的性能。

9. 如何更好地掌握 VDOM 指令集架构

要更好地掌握 Vue.js 的 VDOM 指令集架构，建议：

阅读 Vue.js 源码： 通过阅读 Vue.js 的源码，可以深入了解 VDOM 的实现细节。
调试 Vue.js 应用： 通过调试 Vue.js 应用，可以观察 VDOM 的更新过程，并理解指令的执行顺序。
编写自定义指令： 通过编写自定义指令，可以加深对指令集架构的理解。

10. 核心函数之间的协作

patch 函数 orchestrates the entire process. It determines whether to create a new element, update an existing one, or replace it entirely. createElm is responsible for generating the actual DOM elements based on the VNode description. patchVnode handles the updates within a single VNode, comparing properties and children. updateChildren is crucial for efficiently updating lists of children using algorithms like the two-pointer approach. These functions work together to ensure efficient and minimal DOM manipulations.

更多IT精英技术系列讲座，到智猿学院