做面试的不倒翁：浅谈 Vue 中 computed 实现原理

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创宇前端
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    编者按：我们会不时邀请工程师谈谈有意思的技术细节，希望知其所以然能让大家在面试有更出色表现。也给面试官提供更多思路。

    虽然目前的技术栈已由 Vue 转到了 React，但从之前使用 Vue 开发的多个项目实际经历来看还是非常愉悦的，Vue 文档清晰规范，api 设计简洁高效，对前端开发人员友好，上手快，甚至个人认为在很多场景使用 Vue 比 React 开发效率更高，之前也有断断续续研读过 Vue 的源码，但一直没有梳理总结，所以在此做一些技术归纳同时也加深自己对 Vue 的理解，那么今天要写的便是 Vue 中最常用到的 API 之一 computed 的实现原理。

    基本介绍

    话不多说，一个最基本的例子如下：

    <div id="app">
    <p>{{fullName}}</p>
</div>
    new Vue({
    data: {
        firstName: 'Xiao',
        lastName: 'Ming'
    },
    computed: {
        fullName: function () {
            return this.firstName + ' ' + this.lastName
        }
    }
})

    Vue 中我们不需要在 template 里面直接计算 {{this.firstName + ' ' + this.lastName}}，因为在模版中放入太多声明式的逻辑会让模板本身过重，尤其当在页面中使用大量复杂的逻辑表达式处理数据时，会对页面的可维护性造成很大的影响，而 computed 的设计初衷也正是用于解决此类问题。

    对比侦听器 watch

    当然很多时候我们使用 computed 时往往会与 Vue 中另一个 API 也就是侦听器 watch 相比较，因为在某些方面它们是一致的，都是以 Vue 的依赖追踪机制为基础，当某个依赖数据发生变化时，所有依赖这个数据的相关数据或函数都会自动发生变化或调用。

    虽然计算属性在大多数情况下更合适，但有时也需要一个自定义的侦听器。这就是为什么 Vue 通过 watch 选项提供了一个更通用的方法来响应数据的变化。当需要在数据变化时执行异步或开销较大的操作时，这个方式是最有用的。

    从 Vue 官方文档对 watch 的解释我们可以了解到，使用 watch 选项允许我们执行异步操作（访问一个 API）或高消耗性能的操作，限制我们执行该操作的频率，并在我们得到最终结果前，设置中间状态，而这些都是计算属性无法做到的。

    下面还另外总结了几点关于 computed 和 watch 的差异：

    1. computed 是计算一个新的属性，并将该属性挂载到 vm（Vue 实例）上，而 watch 是监听已经存在且已挂载到 vm 上的数据，所以用 watch 同样可以监听 computed 计算属性的变化（其它还有 data、props）
    2. computed 本质是一个惰性求值的观察者，具有缓存性，只有当依赖变化后，第一次访问 computed 属性，才会计算新的值，而 watch 则是当数据发生变化便会调用执行函数
    3. 从使用场景上说，computed 适用一个数据被多个数据影响，而 watch 适用一个数据影响多个数据；

    以上我们了解了 computed 和 watch 之间的一些差异和使用场景的区别，当然某些时候两者并没有那么明确严格的限制，最后还是要具体到不同的业务进行分析。

    原理分析

    言归正传，回到文章的主题 computed 身上，为了更深层次地了解计算属性的内在机制，接下来就让我们一步步探索 Vue 源码中关于它的实现原理吧。

    在分析 computed 源码之前我们先得对 Vue 的响应式系统有一个基本的了解，Vue 称其为非侵入性的响应式系统，数据模型仅仅是普通的 JavaScript 对象，而当你修改它们时，视图便会进行自动更新。

    当你把一个普通的 JavaScript 对象传给 Vue 实例的 data 选项时，Vue 将遍历此对象所有的属性，并使用 Object.defineProperty 把这些属性全部转为 getter/setter，这些 getter/setter 对用户来说是不可见的，但是在内部它们让 Vue 追踪依赖，在属性被访问和修改时通知变化，每个组件实例都有相应的 watcher 实例对象，它会在组件渲染的过程中把属性记录为依赖，之后当依赖项的 setter 被调用时，会通知 watcher 重新计算，从而致使它关联的组件得以更新。

    Vue 响应系统，其核心有三点：observe、watcher、dep：

    1. observe：遍历 data 中的属性，使用 Object.defineProperty 的 get/set 方法对其进行数据劫持；
    2. dep：每个属性拥有自己的消息订阅器 dep，用于存放所有订阅了该属性的观察者对象；
    3. watcher：观察者（对象），通过 dep 实现对响应属性的监听，监听到结果后，主动触发自己的回调进行响应。

    对响应式系统有一个初步了解后，我们再来分析计算属性。
    首先我们找到计算属性的初始化是在 src/core/instance/state.js 文件中的 initState 函数中完成的

    export function initState (vm: Component) {
  vm._watchers = []
  const opts = vm.$options
  if (opts.props) initProps(vm, opts.props)
  if (opts.methods) initMethods(vm, opts.methods)
  if (opts.data) {
    initData(vm)
  } else {
    observe(vm._data = {}, true /* asRootData */)
  }
  // computed初始化
  if (opts.computed) initComputed(vm, opts.computed)
  if (opts.watch && opts.watch !== nativeWatch) {
    initWatch(vm, opts.watch)
  }
}

    调用了 initComputed 函数（其前后也分别初始化了 initData 和 initWatch ）并传入两个参数 vm 实例和 opt.computed 开发者定义的 computed 选项，转到 initComputed 函数：

    const computedWatcherOptions = { computed: true }

function initComputed (vm: Component, computed: Object) {
  // $flow-disable-line
  const watchers = vm._computedWatchers = Object.create(null)
  // computed properties are just getters during SSR
  const isSSR = isServerRendering()

  for (const key in computed) {
    const userDef = computed[key]
    const getter = typeof userDef === 'function' ? userDef : userDef.get
    if (process.env.NODE_ENV !== 'production' && getter == null) {
      warn(
        'Getter is missing for computed property "${key}".',
        vm
      )
    }

    if (!isSSR) {
      // create internal watcher for the computed property.
      watchers[key] = new Watcher(
        vm,
        getter || noop,
        noop,
        computedWatcherOptions
      )
    }

    // component-defined computed properties are already defined on the
    // component prototype. We only need to define computed properties defined
    // at instantiation here.
    if (!(key in vm)) {
      defineComputed(vm, key, userDef)
    } else if (process.env.NODE_ENV !== 'production') {
      if (key in vm.$data) {
        warn('The computed property "${key}" is already defined in data.', vm)
      } else if (vm.$options.props && key in vm.$options.props) {
        warn('The computed property "${key}" is already defined as a prop.', vm)
      }
    }
  }
}

    从这段代码开始我们观察这几部分：

    1. 获取计算属性的定义 userDef 和 getter 求值函数

      const userDef = computed[key]
const getter = typeof userDef === 'function' ? userDef : userDef.get

      定义一个计算属性有两种写法，一种是直接跟一个函数，另一种是添加 set 和 get 方法的对象形式，所以这里首先获取计算属性的定义 userDef，再根据 userDef 的类型获取相应的 getter 求值函数。

    2. 计算属性的观察者 watcher 和消息订阅器 dep

      watchers[key] = new Watcher(
    vm,
    getter || noop,
    noop,
    computedWatcherOptions
)

      这里的 watchers 也就是 vm._computedWatchers 对象的引用，存放了每个计算属性的观察者 watcher 实例（注：后文中提到的“计算属性的观察者”、“订阅者”和 watcher 均指代同一个意思但注意和 Watcher 构造函数区分），Watcher 构造函数在实例化时传入了 4 个参数：vm 实例、getter 求值函数、noop 空函数、computedWatcherOptions 常量对象（在这里提供给 Watcher 一个标识 {computed:true} 项，表明这是一个计算属性而不是非计算属性的观察者，我们来到 Watcher 构造函数的定义：

      class Watcher {
  constructor (
    vm: Component,
    expOrFn: string | Function,
    cb: Function,
    options?: ?Object,
    isRenderWatcher?: boolean
  ) {
    if (options) {
      this.computed = !!options.computed
    } 

    if (this.computed) {
      this.value = undefined
      this.dep = new Dep()
    } else {
      this.value = this.get()
    }
  }
  
  get () {
    pushTarget(this)
    let value
    const vm = this.vm
    try {
      value = this.getter.call(vm, vm)
    } catch (e) {
      
    } finally {
      popTarget()
    }
    return value
  }
  
  update () {
    if (this.computed) {
      if (this.dep.subs.length === 0) {
        this.dirty = true
      } else {
        this.getAndInvoke(() => {
          this.dep.notify()
        })
      }
    } else if (this.sync) {
      this.run()
    } else {
      queueWatcher(this)
    }
  }

  evaluate () {
    if (this.dirty) {
      this.value = this.get()
      this.dirty = false
    }
    return this.value
  }

  depend () {
    if (this.dep && Dep.target) {
      this.dep.depend()
    }
  }
}

      为了简洁突出重点，这里我手动去掉了我们暂时不需要关心的代码片段。
      观察 Watcher 的 constructor ，结合刚才讲到的 new Watcher 传入的第四个参数 {computed:true} 知道，对于计算属性而言 watcher 会执行 if 条件成立的代码 this.dep = new Dep()，而 dep 也就是创建了该属性的消息订阅器。

      export default class Dep {
  static target: ?Watcher;
  subs: Array<Watcher>;

  constructor () {
    this.id = uid++
    this.subs = []
  }

  addSub (sub: Watcher) {
    this.subs.push(sub)
  }

  depend () {
    if (Dep.target) {
      Dep.target.addDep(this)
    }
  }

  notify () {
    const subs = this.subs.slice()
    for (let i = 0, l = subs.length; i < l; i++) {
      subs[i].update()
    }
  }
}

Dep.target = null

      Dep 同样精简了部分代码，我们观察 Watcher 和 Dep 的关系，用一句话总结

      watcher 中实例化了 dep 并向 dep.subs 中添加了订阅者，dep 通过 notify 遍历了 dep.subs 通知每个 watcher 更新。

    3. defineComputed 定义计算属性

      if (!(key in vm)) {
  defineComputed(vm, key, userDef)
} else if (process.env.NODE_ENV !== 'production') {
  if (key in vm.$data) {
    warn('The computed property "${key}" is already defined in data.', vm)
  } else if (vm.$options.props && key in vm.$options.props) {
    warn('The computed property "${key}" is already defined as a prop.', vm)
  }
}

      因为 computed 属性是直接挂载到实例对象中的，所以在定义之前需要判断对象中是否已经存在重名的属性，defineComputed 传入了三个参数：vm 实例、计算属性的 key 以及 userDef 计算属性的定义（对象或函数）。
      然后继续找到 defineComputed 定义处：

      export function defineComputed (
  target: any,
  key: string,
  userDef: Object | Function
) {
  const shouldCache = !isServerRendering()
  if (typeof userDef === 'function') {
    sharedPropertyDefinition.get = shouldCache
      ? createComputedGetter(key)
      : userDef
    sharedPropertyDefinition.set = noop
  } else {
    sharedPropertyDefinition.get = userDef.get
      ? shouldCache && userDef.cache !== false
        ? createComputedGetter(key)
        : userDef.get
      : noop
    sharedPropertyDefinition.set = userDef.set
      ? userDef.set
      : noop
  }
  if (process.env.NODE_ENV !== 'production' &&
      sharedPropertyDefinition.set === noop) {
    sharedPropertyDefinition.set = function () {
      warn(
        'Computed property "${key}" was assigned to but it has no setter.',
        this
      )
    }
  }
  Object.defineProperty(target, key, sharedPropertyDefinition)
}

      在这段代码的最后调用了原生 Object.defineProperty 方法，其中传入的第三个参数是属性描述符sharedPropertyDefinition，初始化为：

      const sharedPropertyDefinition = {
  enumerable: true,
  configurable: true,
  get: noop,
  set: noop
}

      随后根据 Object.defineProperty 前面的代码可以看到 sharedPropertyDefinition 的 get/set 方法在经过 userDef 和 shouldCache 等多重判断后被重写，当非服务端渲染时，sharedPropertyDefinition 的 get 函数也就是 createComputedGetter(key) 的结果，我们找到 createComputedGetter 函数调用结果并最终改写 sharedPropertyDefinition 大致呈现如下：

      sharedPropertyDefinition = {
    enumerable: true,
    configurable: true,
    get: function computedGetter () {
        const watcher = this._computedWatchers && this._computedWatchers[key]
        if (watcher) {
            watcher.depend()
            return watcher.evaluate()
        }
    },
    set: userDef.set || noop
}

      当计算属性被调用时便会执行 get 访问函数，从而关联上观察者对象 watcher 然后执行 wather.depend() 收集依赖和 watcher.evaluate() 计算求值。

    分析完所有步骤，我们再来总结下整个流程：

    1. 当组件初始化的时候，computed 和 data 会分别建立各自的响应系统，Observer 遍历 data 中每个属性设置 get/set 数据拦截

    2. 初始化 computed 会调用 initComputed 函数

      1. 注册一个 watcher 实例，并在内实例化一个 Dep 消息订阅器用作后续收集依赖（比如渲染函数的 watcher 或者其他观察该计算属性变化的 watcher ）
      2. 调用计算属性时会触发其Object.defineProperty的get访问器函数
      3. 调用 watcher.depend() 方法向自身的消息订阅器 dep 的 subs 中添加其他属性的 watcher
      4. 调用 watcher 的 evaluate 方法（进而调用 watcher 的 get 方法）让自身成为其他 watcher 的消息订阅器的订阅者，首先将 watcher 赋给 Dep.target，然后执行 getter 求值函数，当访问求值函数里面的属性（比如来自 data、props 或其他 computed）时，会同样触发它们的 get 访问器函数从而将该计算属性的 watcher 添加到求值函数中属性的 watcher 的消息订阅器 dep 中，当这些操作完成，最后关闭 Dep.target 赋为 null 并返回求值函数结果。
    3. 当某个属性发生变化，触发 set 拦截函数，然后调用自身消息订阅器 dep 的 notify 方法，遍历当前 dep 中保存着所有订阅者 wathcer 的 subs 数组，并逐个调用 watcher 的 update 方法，完成响应更新。
    文 / 亦然
    一枚向往诗与远方的 coder

    编 / 荧声

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