Virtual DOM最初是由React的作者开创的,目的是使声明式UI的渲染速度更快。为了理解为什么声明式UI最初如此缓慢,我们首先需要了解过去是如何做声明式UI的。
声明式用户界面
编写声明式UI的传统方法是更改元素的innerHTML属性。例如,如果我想向<div>UI添加一个元素到,我将写如下:
document.body.innerHTML = '<div>Hello World!</div>';
// <body> now has a <div>Hello World!</div> child.
我们可以认识到innerHTML允许我们以声明地方式定义UI,但它的效率不高。
效率低下源于每次更改用户界面时的解析、破坏和重建innerHTML,都需要遵循四个步骤:
- 解析innerHTML字符串到DOM节点树中。
- 移除所有内容<body>元素。
- 将DOM节点树插入<body>元素。
- 执行布局计算和重绘屏幕。
这个过程在计算上非常昂贵,并且可能导致渲染速度显著降低。
命令式用户界面
那么,这个问题是如何解决的呢?那就是选择使用DOM, 这种方法要比innerHTML方法快3倍。
const div = document.createElement('div');
div.textContent = 'Hello World!';
document.body.appendChild(div);
然而,我们可以认识到,手动编写这个可能很麻烦,特别是当UI中有很多交互时,因为我们需要命令式地指定每个步骤。以声明的方式编写UI要优雅得多。
不过,React作者创建了VirtualDOM,允许我们以一种比innerHTML更快的呈现方式编写UI,而且是声明式的。
理解VirtualDOM
为了最好地了解VirtualDOM是如何工作的,让我们概述一下流程,然后构建一个示例。
VirtualDOM是一种呈现UI的方法。该方法利用模仿DOM树的JavaScript对象树(“虚拟”节点)。
// <div>Hello World!</div>
const div = document.createElement('div');
div.style = 'color: red';
div.textContent = 'Hello World!';
以上<div> 被模仿为以下JavaScript对象中的虚拟节点:
const divVNode = {
type: 'div',
props: {
style: 'color: red'
}
children: ['Hello World!']
};
我们可以注意到虚拟节点有三个属性:
- tag:将元素的标记名称存储为字符串。
- props:将元素的属性和属性存储为对象。
- children:将元素的虚拟节点子级存储为数组。
使用虚拟节点,我们可以对当前的UI进行建模,以及当我们更新UI时希望它改变成什么。
假设我想将<div>中的文本从 "Hello World!" 更改成 "Hello Universe!"。可以使用DOM进行强制修改:
// <div>Hello World!</div>
const div = document.createElement('div');
div.style = 'color: red';
div.textContent = 'Hello World!';
// Change from "Hello World!" to "Hello Universe!"
div.textContent = 'Hello Universe!';
但是使用VirtualDOM,我可以指定当前UI的外观(旧虚拟节点)和我希望它的外观(新虚拟节点)。
const oldVNode = {
type: 'div',
props: {
style: 'color: red'
}
children: ['Hello World!']
};
const newVNode = {
type: 'div',
props: {
style: 'color: red'
}
children: ['Hello Universe!']
};
然而要让Virtual DOM真正将更改应用到UI,还需要计算旧虚拟节点和新虚拟节点之间的差异。
{
type: 'div',
props: {
style: 'color: red'
}
- children: ['Hello World!']
+ children: ['Hello Universe!']
};
当我们知道了二者之间的差别,就可以通过Virtual DOM改变UI。
div.replaceChild(newChild, oldChild);
Virtual DOM只是进行了必要的修改,并不是替换了整个UI。
构建自己的Virtual DOM
在本文中,我们将模仿Million.js的 Virtual DOM API。我们的API将包含三个主要功能:m, createElement, and patch。
m (tag, props, children)
m 函数是创建虚拟节点的辅助函数。虚拟节点包含三个属性:
- tag:将虚拟节点的名称标记为字符串;
- props:作为对象的节点的属性/属性;
- children:虚拟节点的子节点作为数组。
m帮助程序函数的示例实现如下:
const m = (tag, props = {}, children = []) => ({
tag,
props,
children,
});
这样创建虚拟节点就简单多了。
m('div', { style: 'color: red' }, ['Hello World!']);
#createElement(vnode)
该createElement函数将虚拟节点转换为真实的DOM元素。这很重要,因为我们将在patch函数中使用它。
实现如下:
- 如果虚拟节点是文本,则返回文本节点;
- tag使用虚拟节点的属性创建一个新的DOM节点;
- 遍历虚拟节点props 并将它们添加到DOM节点。
- 遍历children,在每个子级上递归调用createElement并将其添加到DOM节点。
const createElement = (vnode) => {
if (typeof vnode === 'string') {
return document.createTextNode(vnode);
}
const el = document.createElement(vnode.tag);
for (const prop in vnode.props) {
el[prop] = vnode.props[prop];
}
for (const child of vnode.children) {
el.appendChild(createElement(child));
}
return el;
};
这样就可以轻松地将虚拟节点转变成DOM节点。
// <div style="color: red">Hello World!</div>
createElement(
m('div', { style: 'color: red' }, ['Hello World!'])
);
#patch(el, newVNode, oldVNode)
该patch函数采用现有的DOM节点、旧的虚拟节点和新的虚拟节点。
实现如下:
- 计算两个虚拟节点之间的差异;
- 如果虚拟节点是字符串,则将DOM节点的文本内容替换为新节点;
- 如果虚拟节点是对象,且tag、props、 children不同,则更新节点。
const patch = (el, newVNode, oldVNode) => {
if (!newVNode && newVNode !== '') return el.remove();
if (
typeof oldVNode === 'string' ||
typeof newVNode === 'string'
) {
if (oldVNode !== newVNode) {
return el.replaceWith(createElement(newVNode));
}
} else {
if (oldVNode.tag !== newVNode.tag) {
return el.replaceWith(createElement(newVNode));
}
// patch props
for (const prop in {
...oldVNode.props,
...newVNode.props,
}) {
if (newVNode.props[prop] === undefined) {
delete el[prop];
} else if (
oldVNode.props[prop] === undefined ||
oldVNode.props[prop] !== newVNode.props[prop]
) {
el[prop] = newVNode.props[prop];
}
}
// patch children
for (let i = oldVNode.children.length - 1; i >= 0; --i) {
patch(
el.childNodes[i],
newVNode.children[i],
oldVNode.children[i]
);
}
for (
let i = oldVNode.children.length;
i < newVNode.children.length;
i++
) {
el.appendChild(createElement(newVNode.children[i]));
}
}
};
这样就可以使用patch功能更新UI了。
const oldVNode = m('div', { style: 'color: red' }, [
'Hello World!',
]);
const newVNode = m('div', { style: 'color: red' }, [
'Hello Universe!',
]);
const el = createElement(oldVNode);
// <div style="color: red">Hello World!</div>
patch(el, oldVNode, newVNode);
// <div style="color: red">Hello Universe!</div>
Virtual DOM是纯开销
当前,Virtual DOM实现在计算新旧虚拟节点之间的差异时会产生计算成本。
即使使用非常有效的差分算法 (如list-diff2),当虚拟节点树大于虚拟节点的两位数时,差异成本也会变得显著。
树区分算法是出了名的慢。时间复杂度可以从O(n)转O(n ^ 3)取决于虚拟节点树的复杂性。这与DOM操纵相去甚远,后者是O(1)。
Virtual DOM的未来
编译器是新框架”-- 汤姆·戴尔
Ember的创建者汤姆是最早倡导为JavaScript UI库使用编译器开源狂热者之一。
现在,我们知道汤姆的赌注是正确的。JavaScript生态系统见证了Solid、Svelte等“已编译”库的兴起,它们放弃了Virtual DOM。这些库使用编译器预渲染,并在使用时生成代码来跳过不必要的渲染。
另一方面,Virtual DOM落后于这一趋势。当前的虚拟DOM库本质上与“按需” 编译器不兼容。因此,Virtual DOM的渲染速度通常是比现代“No Virtual DOM” UI库慢几个数量级。
如果我们希望Virtual DOM在未来的渲染速度上具有竞争力,那就需要重新设计Virtual DOM以允许编译器增强。