Vue3源码解析--虚拟DOM

什么是虚拟DOM

在浏览器中,HTML页面由基本的DOM树来组成的,当其中一部分发生变化时,其实就是对应某个DOM节点发生了变化,当DOM节点发生变化时就会触发对应的重绘或者重排,当过多的重绘和重排在短时间内发生时,就会可能引起页面的卡顿,所以改变DOM是有一些代价的,那么如何优化DOM变化的次数以及在合适的时机改变DOM就是开发者需要注意的事情。

虚拟DOM就是为了解决上述浏览器性能问题而被设计出来的。当一次操作中有10次更新DOM的动作,虚拟DOM不会立即操作DOM,而是和原本的DOM进行对比,将这10次更新的变化部分内容保存到内存中,最终一次性的应用在到DOM树上,再进行后续操作,避免大量无谓的计算量。

虚拟DOM实际上就是采用JavaScript对象来存储DOM节点的信息,将DOM的更新变成对象的修改,并且这些修改计算在内存中发生,当修改完成后,再将JavaScript转换成真实的DOM节点,交给浏览器,从而达到性能的提升。
例如下面一段DOM节点,如下代码所示:

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<div id="app">
<p class="text">Hello</p>
</div>

转换成一般的虚拟DOM对象结构,如下代码所示:

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{
tag: 'div',
props: {
id: 'app'
},
chidren: [
{
tag: 'p',
props: {
className: 'text'
},
chidren: [
'Hello'
]
}
]
}

上面这段代码就是一个基本的虚拟DOM,但是他并非是Vue中使用的虚拟DOM结构,因为Vue要复杂的多。

Vue 3虚拟DOM

在Vue中,我们写在<template>标签内的内容都属于DOM节点,这部分内容会被最终转换成Vue中的虚拟DOM对象VNode,其中的步骤比较复杂,主要有以下几个过程:

  • 抽取<template>内容进行compile编译。
  • 得到AST语法树,并生成render方法。
  • 执行render方法得到VNode对象。
  • VNode转换真实DOM并渲染到页面。

完整流程如下图:

image.png

我们以一个简单的demo为例子,在Vue 3的源码里去寻找,到底是如何一步一步进行了,demo如下代码所示:

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<div id="app">
<div>
{{name}}
</div>
<p>123</p>
</div>
Vue.createApp({
data(){
return {
name : 'abc'
}
}
}).mount("#app")

上面代码中,data中定义了一个响应式数据name,并在<template>中使用插值表达式进行使用,还有一个静态节点<p>123</p>

获取<template>内容

调用createApp()方法,会进入到源码packages/runtime-dom/src/index.ts里面的createApp()方法,如下代码所示:

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export const createApp = ((...args) => {
const app = ensureRenderer().createApp(...args)
...
app.mount = (containerOrSelector: Element | ShadowRoot | string): any => {
if (!isFunction(component) && !component.render && !component.template) {
// 将#app绑定的HTML内容赋值给template项上
component.template = container.innerHTML

// 调用mount方法渲染
const proxy = mount(container, false, container instanceof SVGElement)
return proxy
}
...
return app
}) as CreateAppFunction<Element>

对于根组件来说,<template>的内容由挂载的#app元素里面的内容组成,如果项目是采用npm和Vue Cli+Webpack这种前端工程化的方式,那么对于<template>的内容则主要由对应的loader在构建时对文件进行处理来获取,这和在浏览器运行时的处理方式是不一样的。

生成AST语法树

在得到<template>后,就依据内容生成AST语法树。抽象语法树(Abstract Syntax Tree,AST),是源代码语法结构的一种抽象表示。它以树状的形式表现编程语言的语法结构,树上的每个节点都表示源代码中的一种结构。之所以说语法是“抽象”的,是因为这里的语法并不会表示出真实语法中出现的每个细节。比如,嵌套括号被隐含在树的结构中,并没有以节点的形式呈现;而类似于if-condition-then这样的条件跳转语句,可以使用带有三个分支的节点来表示。如下代码所示:

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while b ≠ 0
if a > b
a := a − b
else
b := b − a
return a

如果将上述代码转换成广泛意义上的语法树,如图所示。

image.png

对于<template>的内容,其大部分是由DOM组成,但是也会有if-condition-then这样的条件语句,例如v-ifv-for指令等等,在Vue 3中,这部分逻辑在源码packages\compiler-core\src\compile.ts中baseCompile方法,核心代码如下所示:

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export function baseCompile(
template: string | RootNode,
options: CompilerOptions = {}
): CodegenResult {
...
// 通过template生成ast树结构
const ast = isString(template) ? baseParse(template, options) : template
...
// 转换
transform(
ast,
...
)
return generate(
ast,
extend({}, options, {
prefixIdentifiers
})
)
}

baseCompile方法主要做了以下事情:

  • 生成Vue中的AST对象。
  • 将AST对象作为参数传入transform函数,进行转换。
  • 将转换后的AST对象作为参数传入generate函数,生成render函数。

其中,baseParse方法用来创建AST对象,在Vue 3中,AST对象是一个RootNode类型的树状结构,在源码packages\compiler-core\src\ast.ts中,其结构如下代码所示:

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export function createRoot(
children: TemplateChildNode[],
loc = locStub
): RootNode {
return {
type: NodeTypes.ROOT, // 元素类型
children, // 子元素
helpers: [],// 帮助函数
components: [],// 子组件
directives: [], // 指令
hoists: [],// 标识静态节点
imports: [],
cached: 0, // 缓存标志位
temps: 0,
codegenNode: undefined,// 存储生成render函数字符串
loc // 描述元素在AST树的位置信息
}
}

其中,children存储的时后代元素节点的数据,这就构成一个AST树结构,type表示元素的类型NodeType,主要分为HTML普通类型和Vue指令类型等,常见的有以下几种:

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ROOT,  // 根元素 0
ELEMENT, // 普通元素 1
TEXT, // 文本元素 2
COMMENT, // 注释元素 3
SIMPLE_EXPRESSION, // 表达式 4
INTERPOLATION, // 插值表达式 {{ }} 5
ATTRIBUTE, // 属性 6
DIRECTIVE, // 指令 7
IF, // if节点 9
JS_CALL_EXPRESSION, // 方法调用 14
...

hoists是一个数组,用来存储一些可以静态提升的元素,在后面的transform会将静态元素和响应式元素分开创建,这也是Vue 3中优化的体现,codegenNode则用来存储最终生成的render方法的字符串,loc表示元素在AST树的位置信息。

在生成AST树时,Vue 3在解析<template>内容时,会用一个栈stack来保存解析到的元素标签。当它遇到开始标签时,会将这个标签推入栈,遇到结束标签时,将刚才的标签弹出栈。它的作用是保存当前已经解析了,但还没解析完的元素标签。这个栈还有另一个作用,在解析到某个字节点时,通过stack[stack.length - 1]可以获取它的父元素。

demo代码中生成的AST语法树如下图所示。

image.png

生成render方法字符串

在得到AST对象后,会进入transform方法,在源码packages\compiler-core\src\transform.ts中,其核心代码如下所示:

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export function transform(root: RootNode, options: TransformOptions) {
// 数据组装
const context = createTransformContext(root, options)
// 转换代码
traverseNode(root, context)
// 静态提升
if (options.hoistStatic) {
hoistStatic(root, context)
}// 服务端渲染
if (!options.ssr) {
createRootCodegen(root, context)
}
// 透传元信息
root.helpers = [...context.helpers.keys()]
root.components = [...context.components]
root.directives = [...context.directives]
root.imports = context.imports
root.hoists = context.hoists
root.temps = context.temps
root.cached = context.cached
if (__COMPAT__) {
root.filters = [...context.filters!]
}
}

transform方法主要是对AST进行进一步转化,为generate函数生成render方法做准备,主要做了以下事情:

  • traverseNode方法将会递归的检查和解析AST元素节点的属性,例如结合helpers方法对@click等事件添加对应的方法和事件回调,对插值表达式、指令、props添加动态绑定等。
  • 处理类型逻辑包括静态提升逻辑,将静态节点赋值给hoists,以及根据不同类型的节点打上不同的patchFlag,便于后续diff使用。
  • 在AST上绑定并透传一些元数据。

generate方法主要是生成render方法的字符串code,在源码packages\compiler-core\src\codegen.ts中,其核心代码如下所示:

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export function generate(
ast: RootNode,
options: CodegenOptions & {
onContextCreated?: (context: CodegenContext) => void
} = {}
): CodegenResult {
const context = createCodegenContext(ast, options)
if (options.onContextCreated) options.onContextCreated(context)
const {
mode,
push,
prefixIdentifiers,
indent,
deindent,
newline,
scopeId,
ssr
} = context
...
// 缩进处理
indent()
deindent()
// 单独处理component、directive、filters
genAssets()
// 处理NodeTypes里的所有类型
genNode(ast.codegenNode, context)
...
// 返回code字符串
return {
ast,
code: context.code,
preamble: isSetupInlined ? preambleContext.code : ``,
// SourceMapGenerator does have toJSON() method but it's not in the types
map: context.map ? (context.map as any).toJSON() : undefined
}
}

generate方法的核心逻辑在genNode方法中,其逻辑是根据不同的NodeTypes类型构造出不同的render方法字符串,部分类型如下代码所示:

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switch (node.type) {
case NodeTypes.ELEMENT:
case NodeTypes.IF:
case NodeTypes.FOR:// for关键字元素节点
genNode(node.codegenNode!, context)
break
case NodeTypes.TEXT:// 文本元素节点
genText(node, context)
break
case NodeTypes.VNODE_CALL:// 核心:VNode混合类型节点(AST语法树节点)
genVNodeCall(node, context)
break
case NodeTypes.COMMENT: // 注释元素节点
genComment(node, context)
break
case NodeTypes.JS_FUNCTION_EXPRESSION:// 方法调用节点
genFunctionExpression(node, context)
break
...

其中:

  • 节点类型NodeTypes.VNODE_CALL对应genVNodeCall方法和ast.ts文件里面的createVNodeCall方法对应,后者用来返回VNodeCall,前者生成对应的VNodeCall这部分render方法字符串,是整个render方法字符串的核心。
  • 节点类型NodeTypes.FOR对应for关键字元素节点,其内部是递归调用了genNode方法。
  • 节点类型NodeTypes.TEXT对应文本元素节点负责静态文本的生成。
  • 节点类型NodeTypes.JS_FUNCTION_EXPRESSION对应方法调用节点,负责方法表达式的生成。

终于,经过一系列的加工,最终生成的render方法字符串结果如下所示:

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(function anonymous(
) {
const _Vue = Vue
const { createElementVNode: _createElementVNode } = _Vue

const _hoisted_1 = ["data-a"] // 静态节点
const _hoisted_2 = /*#__PURE__*/_createElementVNode("p", null, "123", -1 /* HOISTED */)// 静态节点

return function render(_ctx, _cache) {// render方法
with (_ctx) {
const { toDisplayString: _toDisplayString, createElementVNode: _createElementVNode, Fragment: _Fragment, openBlock: _openBlock, createElementBlock: _createElementBlock } = _Vue // helper方法

return (_openBlock(), _createElementBlock(_Fragment, null, [
_createElementVNode("div", { "data-a": attr }, _toDisplayString(name), 9 /* TEXT, PROPS */, _hoisted_1),
_hoisted_2
], 64 /* STABLE_FRAGMENT */))
}
}
})

_createElementVNode_openBlock等等上一步传进来的helper方法。其中<p>123</p>这种属于没有响应式绑定的静态节点,会被单独区分,而对于动态节点会使用createElementVNode方法来创建,最终这两种节点会进入createElementBlock方法进行VNode的创建。

render方法中使用了with关键字,with的作用如下代码所示:

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const obj = {
a:1
}
with(obj){
console.log(a) // 打印1
}

with(_ctx)包裹下,我们在data中定义的响应式变量才能正常使用,例如调用_toDisplayString(name),其中name就是响应式变量。

得到最终VNode对象

最终,这是一段可执行代码,会赋值给组件Component.render方法上,其源码在packages\runtime-core\src\component.ts中,如下所示:

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...
Component.render = compile(template, finalCompilerOptions)
...
if (installWithProxy) { // 绑定代理
installWithProxy(instance)
}
...

compile方法是最初baseCompile方法的入口,在完成赋值后,还需要绑定代理,执行installWithProxy方法,其源码在runtime-core/src/component.ts中,如下所示:

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export function registerRuntimeCompiler(_compile: any) {
compile = _compile
installWithProxy = i => {
if (i.render!._rc) {
i.withProxy = new Proxy(i.ctx, RuntimeCompiledPublicInstanceProxyHandlers)
}
}
}

这主要是给render_ctx的响应式变量添加绑定,当上面render方法里的name被使用时,可以通过代理监听到调用,这样就会进入响应式的监听收集track,当触发trigger监听时,进行diff

runtime-core/src/componentRenderUtils.ts源码里的renderComponentRoot方法里会执行render方法得到VNode对象,其核心代码如下所示:

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export function renderComponentRoot(){
// 执行render
let result = normalizeVNode(render!.call(
proxyToUse,
proxyToUse!,
renderCache,
props,
setupState,
data,
ctx
))
...

return result
}

demo代码中最终得到的VNode对象如下图所示。

image.png

上图就是通过render方法运行后得到的VNode对象,可以看到childrendynamicChildren区分,前者包括了两个子节点分别是<div><p>这个和在<template>里面定义的内容是对应的,而后者只存储了动态节点,包括动态propsdata-a属性。同时VNode也是树状结构,通过childrendynamicChildren一层一层递进下去。

在通过render方法得到VNode的过程也是对指令,插值表达式,响应式数据,插槽等一系列Vue语法的解析和构造过程,最终生成结构化的VNode对象,可以将整个过程总结成流程图,便于读者理解,如下图所示。

image.png

另外一个需要关注的属性是patchFlag这个是后面进行VNode的diff时所用到的标志位,数字64表示稳定不需要改变。最后得到VNode对象后需要转换成真实的DOM节点,这部分逻辑是在虚拟DOM的diff中完成的,在后面的双向绑定原理解析中进行讲解。

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