Vue编译器中的最小VNode改变集（Minimum Edit Set）：Diffing算法的理论优化极限 - 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编译器中的最小VNode改变集：Diffing算法的理论优化极限

大家好，今天我们来深入探讨Vue编译器中虚拟DOM（VNode）Diffing算法的核心概念：最小VNode改变集（Minimum Edit Set）。理解这个概念对于优化Vue应用的性能至关重要。

1. 什么是VNode和Diffing算法？

在深入研究最小改变集之前，我们先回顾一下VNode和Diffing算法的基本概念。

VNode（Virtual DOM Node）： VNode是JavaScript对象，用来描述真实DOM节点。它是一种轻量级的表示，包含了DOM节点的所有关键信息，例如标签名、属性、子节点等。Vue使用VNode来构建虚拟DOM树。
Diffing算法： Diffing算法是Vue的核心机制之一，用于比较新旧两棵VNode树的差异，找出需要更新的DOM节点，并尽量减少不必要的DOM操作。DOM操作是昂贵的，因此高效的Diffing算法可以显著提高Vue应用的性能。

2. 最小VNode改变集（Minimum Edit Set）的概念

最小VNode改变集指的是将旧VNode树转换为新VNode树所需的最少操作集合。这些操作通常包括：

创建（Create）： 创建新的DOM节点并插入到DOM树中。
更新（Update）： 修改现有DOM节点的属性或内容。
删除（Delete）： 从DOM树中移除DOM节点。
移动（Move）： 将DOM节点移动到DOM树中的新位置。

Diffing算法的目标就是尽可能地找到这个最小改变集，并将其应用到真实DOM上。理论上，如果Diffing算法能够精确找到最小改变集，那么就能实现最佳的性能优化。然而，在实际应用中，由于算法复杂度和性能开销的限制，Diffing算法往往只能找到一个近似的最小改变集。

3. Diffing算法的理论优化极限

Diffing算法的理论优化极限在于找到最小VNode改变集。理想情况下，Diffing算法应该能够在O(n)的时间复杂度内找到最小改变集，其中n是VNode树的节点数量。但是，找到真正的最小改变集是一个NP-hard问题，意味着不存在通用的多项式时间算法来解决这个问题。

Vue的Diffing算法采用了一些启发式策略来近似最小改变集，以在性能和准确性之间取得平衡。这些策略包括：

同层比较： Vue的Diffing算法只比较同一层级的VNode节点，避免了跨层级的比较。
Key属性： 通过key属性来标识VNode节点，帮助Diffing算法更准确地判断节点的移动和更新。
优化策略： Vue的Diffing算法针对常见的场景进行了优化，例如头尾节点比较、新旧节点复用等。

4. Vue Diff算法的关键步骤

Vue的Diff算法主要分为以下几个步骤：

patch函数： 这是Diff算法的入口函数，接收新旧两个VNode作为参数。如果新旧VNode是同一个节点（sameVnode函数判断），则执行patchVnode函数进行更新；否则，直接创建新的DOM节点并替换旧的DOM节点。

sameVnode函数： 判断两个VNode是否是同一个节点。判断依据包括：

key属性是否相同。
tag（标签名）是否相同。
isComment、data、input type等属性是否相同。

function sameVnode (a, b) {
  return (
    a.key === b.key && (
      (
        a.tag === b.tag &&
        a.isComment === b.isComment &&
        isDef(a.data) === isDef(b.data) &&
        sameInputType(a, b)
      ) || (
        isTrue(a.isAsyncPlaceholder) &&
        a.asyncFactory.error === b.asyncFactory.error
      )
    )
  )
}

patchVnode函数： 更新两个相同的VNode节点。该函数主要负责：
- 更新节点的属性（updateAttrs、updateClass等）。
- 更新节点的事件监听器（updateListeners）。
- 比较节点的子节点（使用updateChildren函数）。

updateChildren函数： 这是Diff算法的核心函数，用于比较两个VNode节点的子节点列表。该函数使用双端比较的策略，尽可能地复用和移动现有的DOM节点。

function updateChildren (parentElm, oldCh, newCh, insertedVnodeQueue, removeOnly) {
  let oldStartIdx = 0
  let newStartIdx = 0
  let oldEndIdx = oldCh.length - 1
  let oldStartVnode = oldCh[0]
  let oldEndVnode = oldCh[oldEndIdx]
  let newEndIdx = newCh.length - 1
  let newStartVnode = newCh[0]
  let newEndVnode = newCh[newEndIdx]
  let oldKeyToIdx, idxInOld, vnodeToMove, refElm

  // 只有当新旧子节点列表都未遍历完，才进行循环
  while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) {
    if (isUndef(oldStartVnode)) {
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx] // Vnode has been moved/removed
    } else if (isUndef(oldEndVnode)) {
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode)) {
      // 1. 新旧子节点列表的头节点相同
      patchVnode(oldStartVnode, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newEndVnode)) {
      // 2. 新旧子节点列表的尾节点相同
      patchVnode(oldEndVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue)
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldStartVnode, newEndVnode)) { // Vnode moved right
      // 3. 旧子节点列表的头节点和新子节点列表的尾节点相同
      patchVnode(oldStartVnode, newEndVnode, insertedVnodeQueue)
      canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, oldStartVnode.elm, nodeOps.nextSibling(oldEndVnode.elm))
      oldStartVnode = oldCh[++oldStartIdx]
      newEndVnode = newCh[--newEndIdx]
    } else if (sameVnode(oldEndVnode, newStartVnode)) { // Vnode moved left
      // 4. 旧子节点列表的尾节点和新子节点列表的头节点相同
      patchVnode(oldEndVnode, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
      canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, oldEndVnode.elm, oldStartVnode.elm)
      oldEndVnode = oldCh[--oldEndIdx]
      newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
    } else {
      // 5. 以上四种情况都不满足，则需要查找旧子节点列表中是否存在与新子节点列表的头节点相同的节点
      if (isUndef(oldKeyToIdx)) oldKeyToIdx = createKeyToOldIdx(oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
      idxInOld = isDef(newStartVnode.key)
        ? oldKeyToIdx[newStartVnode.key]
        : findIdxInOld(newStartVnode, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)

      if (isUndef(idxInOld)) { // New element
        // 5.1 如果在旧子节点列表中找不到相同的节点，则创建一个新的节点
        createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm)
        newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
      } else {
        // 5.2 如果在旧子节点列表中找到了相同的节点，则移动该节点
        vnodeToMove = oldCh[idxInOld]
        if (sameVnode(vnodeToMove, newStartVnode)) {
          patchVnode(vnodeToMove, newStartVnode, insertedVnodeQueue)
          oldCh[idxInOld] = undefined
          canMove && nodeOps.insertBefore(parentElm, vnodeToMove.elm, oldStartVnode.elm)
          newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
        } else {
          // same key but different element. treat as new element
          createElm(newStartVnode, insertedVnodeQueue, parentElm, oldStartVnode.elm)
          newStartVnode = newCh[++newStartIdx]
        }
      }
    }
  }

  // 处理剩余的节点
  if (oldStartIdx > oldEndIdx) {
    refElm = isUndef(newCh[newEndIdx + 1]) ? null : newCh[newEndIdx + 1].elm
    addVnodes(parentElm, refElm, newCh, newStartIdx, newEndIdx, insertedVnodeQueue)
  } else if (newStartIdx > newEndIdx) {
    removeVnodes(parentElm, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx)
  }
}

这个函数使用四个指针 (oldStartIdx, oldEndIdx, newStartIdx, newEndIdx) 分别指向新旧两个VNode数组的头尾，然后进行比较。它会尝试以下几种情况：

新旧头节点相同： 直接patch这两个节点，然后指针向后移动。
新旧尾节点相同： 直接patch这两个节点，然后指针向前移动。
旧头节点与新尾节点相同： 将旧头节点移动到旧尾节点的后面，然后patch这两个节点，指针移动。
旧尾节点与新头节点相同： 将旧尾节点移动到旧头节点的前面，然后patch这两个节点，指针移动。
以上情况都不满足： 在旧VNode数组中查找与新头节点key相同的节点。如果找到，则将该节点移动到旧头节点的前面，然后patch这两个节点；如果找不到，则创建一个新的节点并插入到旧头节点的前面。

通过这种双端比较的策略，updateChildren函数可以高效地处理节点移动的情况，减少不必要的DOM操作。

5. 最小改变集与Key属性的重要性

key属性在Diffing算法中扮演着至关重要的角色。它可以帮助Diffing算法更准确地判断节点的移动和更新，从而更接近最小改变集。

如果没有key属性，Diffing算法只能根据节点的顺序来比较，这可能会导致不必要的DOM操作。例如，如果一个列表中的某个元素被移动了位置，Diffing算法可能会误认为该元素被删除了，并创建了一个新的元素，而不是简单地移动该元素。

通过使用key属性，Diffing算法可以根据key值来识别节点，从而更准确地判断节点的移动和更新。这可以显著减少不必要的DOM操作，提高Vue应用的性能。

<template>
  <ul>
    <li v-for="item in items" :key="item.id">{{ item.name }}</li>
  </ul>
</template>

<script>
export default {
  data() {
    return {
      items: [
        { id: 1, name: 'Item 1' },
        { id: 2, name: 'Item 2' },
        { id: 3, name: 'Item 3' }
      ]
    }
  }
}
</script>

在上面的例子中，我们使用了item.id作为key属性。这可以确保Diffing算法能够正确识别列表中的每个元素，即使它们的位置发生了变化。

6. 优化Diffing算法的实践

虽然Vue的Diffing算法已经非常高效，但在实际应用中，我们仍然可以通过一些技巧来进一步优化性能：

尽量使用key属性： 尽可能为每个VNode节点添加key属性，特别是当节点是动态生成的或者可能会发生移动时。
避免不必要的更新： 使用v-memo指令来缓存静态的VNode节点，避免不必要的更新。
合理使用计算属性和侦听器： 避免在计算属性和侦听器中执行昂贵的操作，尽量将这些操作移到组件的生命周期钩子函数中。
组件拆分： 将复杂的组件拆分成更小的、可复用的组件，可以提高Diffing算法的效率。
避免在v-for中使用index作为key： 除非列表是完全静态的且不会发生任何变化，否则不应该使用index作为key属性。因为当列表中的元素发生移动时，index值会发生变化，导致Diffing算法无法正确识别节点，从而产生不必要的DOM操作。

7. Diff算法的局限性

虽然Vue的Diff算法非常强大，但它仍然存在一些局限性：

复杂度： Diff算法的复杂度是O(n)，其中n是VNode树的节点数量。在大型应用中，Diff算法可能会成为性能瓶颈。
启发式算法： Vue的Diff算法采用了一些启发式策略，这意味着它不能保证找到真正的最小改变集。在某些情况下，Diff算法可能会产生不必要的DOM操作。
跨层级比较： Vue的Diff算法只比较同一层级的VNode节点，这意味着它无法处理跨层级的节点移动。

8. 未来发展趋势

未来，Diffing算法的发展趋势可能会包括以下几个方面：

更高效的算法： 研究更高效的算法，以降低Diffing算法的复杂度。
更智能的策略： 开发更智能的策略，以更准确地找到最小改变集。
并行Diffing： 利用多核处理器的优势，实现并行Diffing，提高Diffing算法的效率。
WebAssembly： 使用WebAssembly来实现Diffing算法，可以提高Diffing算法的性能。

表格总结

特性	描述
VNode	JavaScript对象，描述真实DOM节点。
Diffing	比较新旧VNode树的差异，找出需要更新的DOM节点。
最小改变集	将旧VNode树转换为新VNode树所需的最少操作集合。
Key属性	帮助Diffing算法更准确地判断节点的移动和更新。
优化技巧	使用key，避免不必要的更新，合理使用计算属性和侦听器，组件拆分，避免在v-for中使用index作为key。
局限性	复杂度高，启发式算法，无法处理跨层级节点移动。
未来趋势	更高效的算法，更智能的策略，并行Diffing，WebAssembly。

高效Diff算法对性能至关重要

理解最小VNode改变集的概念对于优化Vue应用的性能至关重要。虽然Vue的Diffing算法已经非常高效，但我们仍然可以通过一些技巧来进一步优化性能，例如使用key属性、避免不必要的更新、合理使用计算属性和侦听器、组件拆分等。深入理解Diff算法的原理和局限性，才能更好地编写高性能的Vue应用。

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