探索 Vue.js 响应式原理

提到“响应式”三个字，大家立刻想到啥？响应式布局？响应式编程？

从字面意思可以看出，具有“响应式”特征的事物会根据条件变化，使得目标自动作出对应变化。比如在“响应式布局”中，页面根据不同设备尺寸自动显示不同样式。

Vue.js 中的响应式也是一样，当数据发生变化后，使用到该数据的视图也会相应进行自动更新。

接下来我根据个人理解，和大家一起探索下 Vue.js 中的响应式原理，如有错误，欢迎指点😺~~

一、Vue.js 响应式的使用

现在有个很简单的需求，点击页面中 “leo” 文本后，文本内容修改为“你好，前端自习课”。

我们可以直接操作 DOM，来完成这个需求：

<span id="name">leo</span>

const node = document.querySelector('#name')
node.innerText = '你好，前端自习课';

实现起来比较简单，当我们需要修改的数据有很多时（比如相同数据被多处引用），这样的操作将变得复杂。

既然说到 Vue.js，我们就来看看 Vue.js 怎么实现上面需求：

<template>
  <div id="app">
    <span @click="setName">{{ name }}</span>
  </div>
</template>

<script>
export default {
  name: "App",
  data() {
    return {
      name: "leo",
    };
  },
  methods: {
    setName() {
      this.name = "你好，前端自习课";
    },
  },
};
</script>

观察上面代码，我们通过改变数据，来自动更新视图。当我们有多个地方引用这个 name 时，视图都会自动更新。

<template>
  <div id="app">
    <span @click="setName">{{ name }}</span>
    <span>{{ name }}</span>
    <span>{{ name }}</span>
    <span>{{ name }}</span>
  </div>
</template>

当我们使用目前主流的前端框架 Vue.js 和 React 开发业务时，只需关注页面数据如何变化，因为数据变化后，视图也会自动更新，这让我们从繁杂的 DOM 操作中解脱出来，提高开发效率。

二、回顾观察者模式

前面反复提到“通过改变数据，来自动更新视图”，换个说法就是“数据改变后，使用该数据的地方被动发生响应，更新视图”。

是不是有种熟悉的感觉？数据无需关注自身被多少对象引用，只需在数据变化时，通知到引用的对象即可，引用的对象作出响应。恩，有种观察者模式的味道？

关于观察者模式，可阅读我之前写的《图解设计模式之观察者模式（TypeScript）》。

1. 观察者模式流程

观察者模式表示一种“一对多”的关系，n 个观察者关注 1 个被观察者，被观察者可以主动通知所有观察者。接下图：

在这张图中，粉丝想及时收到“前端自习课”最新文章，只需关注即可，“前端自习课”有新文章，会主动推送给每个粉丝。该过程中，“前端自习课”是被观察者，每位“粉丝”是观察者。

2. 观察者模式核心

观察者模式核心组成包括：n 个观察者和 1 个被观察者。这里实现一个简单观察者模式：

2.1 定义接口

// 观察目标接口
interface ISubject {
    addObserver: (observer: Observer) => void; // 添加观察者
    removeObserver: (observer: Observer) => void; // 移除观察者
    notify: () => void; // 通知观察者
}

// 观察者接口
interface IObserver {
    update: () => void;
}

2.2 实现被观察者类

// 实现被观察者类
class Subject implements ISubject {
    private observers: IObserver[] = [];

    public addObserver(observer: IObserver): void {
        this.observers.push(observer);
    }

    public removeObserver(observer: IObserver): void {
        const idx: number = this.observers.indexOf(observer);
        ~idx && this.observers.splice(idx, 1);
    }

    public notify(): void {
        this.observers.forEach(observer => {
            observer.update();
        });
    }
}

2.3 实现观察者类

// 实现观察者类
class Observer implements IObserver {
    constructor(private name: string) { }

    update(): void {
        console.log(`${this.name} has been notified.`);
    }
}

2.4 测试代码

function useObserver(){
    const subject: ISubject = new Subject();
    const Leo = new Observer("Leo");
    const Robin = new Observer("Robin");
    const Pual = new Observer("Pual");

    subject.addObserver(Leo);
    subject.addObserver(Robin);
    subject.addObserver(Pual);
    subject.notify();

    subject.removeObserver(Pual);
    subject.notify();
}

useObserver();
// [LOG]: "Leo has been notified." 
// [LOG]: "Robin has been notified." 
// [LOG]: "Pual has been notified." 
// [LOG]: "Leo has been notified." 
// [LOG]: "Robin has been notified." 

三、回顾 Object.defineProperty()

Vue.js 的数据响应式原理是基于 JS 标准内置对象方法 Object.defineProperty() 方法来实现，该方法不兼容 IE8 和 FF22 及以下版本浏览器，这也是为什么 Vue.js 只能在这些版本之上的浏览器中才能运行的原因。

理解 Object.defineProperty() 对我们理解 Vue.js 响应式原理非常重要。

Vue.js 3 使用 proxy 方法实现响应式，两者类似，我们只需搞懂Object.defineProperty() ， proxy 也就差不多理解了。

1. 概念介绍

Object.defineProperty() 方法会直接在一个对象上定义一个新属性，或者修改一个对象的现有属性，并返回此对象。
语法如下：

Object.defineProperty(obj, prop, descriptor)

• 入参说明：

obj ：要定义属性的源对象；
prop ：要定义或修改的属性名称或 Symbol；
descriptor ：要定义或修改的属性描述符，包括 configurable、enumerable、value、writable、get、set，具体的可以去参阅文档；

• 出参说明：

修改后的源对象。

举个简单🌰例子：

const leo = {};
Object.defineProperty(leo, 'age', { 
    value: 18,
    writable: true
})
console.log(leo.age); // 18
leo.age = 22;
console.log(leo.age); // 22

2. 实现 getter/setter

我们知道 Object.defineProperty() 方法第三个参数是属性描述符（descriptor），支持设置 get 和 set 描述符：

• get 描述符：当访问该属性时，会调用此函数，默认值为 undefined ；
• set 描述符：当修改该属性时，会调用此函数，默认值为 undefined 。

一旦对象拥有了 getter/setter 方法，我们可以简单将该对象称为响应式对象。

这两个操作符为我们提供拦截数据进行操作的可能性，修改前面示例，添加 getter/setter 方法：

let leo = {}, age = 18;
Object.defineProperty(leo, 'age', { 
    get(){
        // to do something
          console.log('监听到请求数据');
        return age;
    },
    set(newAge){
        // to do something
          console.log('监听到修改数据');
        age = newAge > age ? age : newAge
    }
})
leo.age = 20;  // 监听到修改数据
console.log(leo.age); // 监听到请求数据  // 18

leo.age = 10;  // 监听到修改数据
console.log(leo.age); // 监听到请求数据  // 10

访问 leo 对象的 age 属性，会通过 get 描述符处理，而修改 age 属性，则会通过 set 描述符处理。

四、实现简单的数据响应式

通过前面两个小节，我们复习了“观察者模式”和“Object.defineProperty()” 方法，这两个知识点在 Vue.js 响应式原理中非常重要。

接下来我们来实现一个很简单的数据响应式变化，需求如下：点击“更新数据”按钮，文本更新。

接下来我们将实现三个类：

• Dep 被观察者类，用来生成被观察者；
• Watcher 观察者类，用来生成观察者；
• Observer 类，将普通数据转换为响应式数据，从而实现响应式对象。

用一张图来描述三者之间关系，现在看不懂没关系，这小节看完可以再回顾这张图：

1. 实现精简观察者模式

这里参照前面复习“观察者模式”的示例，做下精简：

// 实现被观察者类
class Dep {
    constructor() {
        this.subs = [];
    }
    addSub(watcher) {
        this.subs.push(watcher);
    }
    notify(data) {
        this.subs.forEach(sub => sub.update(data));
    }
}
// 实现观察者类
class Watcher {
    constructor(cb) {
        this.cb = cb;
    }
    update(data) {
        this.cb(data);
    }
}

Vue.js 响应式原理中，观察者模式起到非常重要的作用。其中：

• Dep 被观察者类，提供用来收集观察者（ addSub ）方法和通知观察者（ notify ）方法；
• Watcher 观察者类，实例化时支持传入回调（ cb ）方法，并提供更新（ update ）方法；

2. 实现生成响应式的类

这一步需要实现 Observer 类，核心是通过 Object.defineProperty() 方法为对象的每个属性设置 getter/setter，目的是将普通数据转换为响应式数据，从而实现响应式对象。

这里以最简单的单层对象为例（下一节会介绍深层对象），如：

let initData = {
    text: '你好，前端自习课',
    desc: '每日清晨，享受一篇前端优秀文章。'
};

接下来实现 Observer 类：

// 实现响应式类（最简单单层的对象，暂不考虑深层对象）
class Observer {
    constructor (node, data) {
        this.defineReactive(node, data)
    }

    // 实现数据劫持（核心方法）
    // 遍历 data 中所有的数据，都添加上 getter 和 setter 方法
    defineReactive(vm, obj) {
        //每一个属性都重新定义get、set
        for(let key in obj){
            let value = obj[key]， dep = new Dep();
            Object.defineProperty(obj, key, {
                enumerable: true,
                configurable: true,
                get() {
                    // 创建观察者
                    let watcher = new Watcher(v => vm.innerText = v);
                    dep.addSub(watcher);
                    return value;
                },
                set(newValue) {
                    value = newValue;
                    // 通知所有观察者
                    dep.notify(newValue);
                }
            })
        }
    }
}

上面代码的核心是 defineReactive 方法，它遍历原始对象中每个属性，为每个属性实例化一个被观察者（Dep），然后分别调用 Object.defineProperty() 方法，为每个属性添加 getter/setter。

• 访问数据时，getter 执行依赖收集（即添加观察者），通过实例化 Watcher 创建一个观察者，并执行被观察者的 addSub() 方法添加一个观察者；
• 修改数据时，setter 执行派发更新（即通知观察者），通过调用被观察者的 notify() 方法通知所有观察者，执行观察者 update() 方法。

3. 测试代码

为了方便观察数据变化，我们为“更新数据”按钮绑定点击事件来修改数据：

<div id="app"></div>
<button id="update">更新数据</button>

测试代码如下：

// 初始化测试数据
let initData = {
    text: '你好，前端自习课',
    desc: '每日清晨，享受一篇前端优秀文章。'
};

const app = document.querySelector('#app');

// 步骤1：为测试数据转换为响应式对象
new Observer(app, initData);

// 步骤2：初始化页面文本内容
app.innerText = initData.text;

// 步骤3：绑定按钮事件，点击触发测试
document.querySelector('#update').addEventListener('click', function(){
    initData.text = `我们必须经常保持旧的记忆和新的希望。`;
    console.log(`当前时间：${new Date().toLocaleString()}`)
})

测试代码中，核心在于通过实例化 Observer，将测试数据转换为响应式数据，然后模拟数据变化，来观察视图变化。
每次点击“更新数据”按钮，在控制台中都能看到“数据发生变化！”的提示，说明我们已经能通过 setter 观察到数据的变化情况。

当然，你还可以在控制台手动修改 initData 对象中的 text 属性，来体验响应式变化~~

到这里，我们实现了非常简单的数据响应式变化，当然 Vue.js 肯定没有这么简单，这个先理解，下一节看 Vue.js 响应式原理，思路就会清晰很多。

这部分代码，我已经放到我的 Github，地址：https://github.com/pingan8787/Leo-JavaScript/blob/master/Cute-Gist/Vue/Basics-Reactive-Demo.js

可以再回顾下这张图，对整个过程会更清晰：

五、Vue.js 响应式实现

本节代码：https://github.com/pingan8787/Leo-JavaScript/blob/master/Cute-Gist/Vue/leo-vue-reactive/

这里大家可以再回顾下下面这张官网经典的图，思考下前面讲的示例。

（图片来自：https://cn.vuejs.org/v2/guide/reactivity.html）

上一节实现了简单的数据响应式，接下来继续通过完善该示例，实现一个简单的 Vue.js 响应式，测试代码如下：

// index.js
const vm = new Vue({
    el: '#app',
    data(){
        return {
            text: '你好，前端自习课',
            desc: '每日清晨，享受一篇前端优秀文章。'
        }
    }
});

是不是很有内味了，下面是我们最终实现后项目目录：

- mini-reactive
    / index.html   // 入口 HTML 文件
  / index.js     // 入口 JS 文件
  / observer.js  // 实现响应式，将数据转换为响应式对象
  / watcher.js   // 实现观察者和被观察者（依赖收集者）
  / vue.js       // 实现 Vue 类作为主入口类
  / compile.js   // 实现编译模版功能

知道每一个文件功能以后，接下来将每一步串联起来。

1. 实现入口文件

我们首先实现入口文件，包括 index.html / index.js  2 个简单文件，用来方便接下来的测试。

1.1 index.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <script src="./vue.js"></script>
    <script src="./observer.js"></script>
    <script src="./compile.js"></script>
    <script src="./watcher.js"></script>
</head>
<body>
    <div id="app">{{text}}</div>
    <button id="update">更新数据</button>
    <script src="./index.js"></script>
</body>
</html>

1.2 index.js

"use strict";
const vm = new Vue({
    el: '#app',
    data(){
        return {
            text: '你好，前端自习课',
            desc: '每日清晨，享受一篇前端优秀文章。'
        }
    }
});

console.log(vm.$data.text)
vm.$data.text = '页面数据更新成功！'; // 模拟数据变化
console.log(vm.$data.text)

2. 实现核心入口 vue.js

vue.js 文件是我们实现的整个响应式的入口文件，暴露一个 Vue 类，并挂载全局。

class Vue {
    constructor (options = {}) {
        this.$el = options.el;
        this.$data = options.data();
        this.$methods = options.methods;

        // [核心流程]将普通 data 对象转换为响应式对象
        new Observer(this.$data);

        if (this.$el) {
            // [核心流程]将解析模板的内容
            new Compile(this.$el, this)
        }
    }
}
window.Vue = Vue;

Vue 类入参为一个配置项 option ，使用起来跟 Vue.js 一样，包括 $el 挂载点、 $data 数据对象和 $methods 方法列表（本文不详细介绍）。

通过实例化 Oberser 类，将普通 data 对象转换为响应式对象，然后判断是否传入 el 参数，存在时，则实例化 Compile 类，解析模版内容。

总结下 Vue 这个类工作流程 ：

3. 实现 observer.js

observer.js 文件实现了 Observer 类，用来将普通对象转换为响应式对象：

class Observer {
    constructor (data) {
        this.data = data;
        this.walk(data);
    }

    // [核心方法]将 data 对象转换为响应式对象，为每个 data 属性设置 getter 和 setter 方法
    walk (data) {
        if (typeof data !== 'object') return data;
        Object.keys(data).forEach( key => {
            this.defineReactive(data, key, data[key])
        })
    }

    // [核心方法]实现数据劫持
    defineReactive (obj, key, value) {
        this.walk(value);  // [核心过程]遍历 walk 方法，处理深层对象。
        const dep = new Dep();
        Object.defineProperty(obj, key, {
            enumerable: true,
            configurable: true,
            get () {
                console.log('[getter]方法执行')
                Dep.target &&  dep.addSub(Dep.target);
                return value
            },
            set (newValue) {
                console.log('[setter]方法执行')
                if (value === newValue) return;
                // [核心过程]当设置的新值 newValue 为对象，则继续通过 walk 方法将其转换为响应式对象
                if (typeof newValue === 'object') this.walk(newValue);
                value = newValue;
                dep.notify(); // [核心过程]执行被观察者通知方法，通知所有观察者执行 update 更新
            }
        })
    }
}

相比较第四节实现的 Observer 类，这里做了调整：

• 增加 walk 核心方法，用来遍历对象每个属性，分别调用数据劫持方法（ defineReactive() ）；
• 在 defineReactive() 的 getter 中，判断 Dep.target 存在才添加观察者，下一节会详细介绍 Dep.target；
• 在 defineReactive() 的 setter 中，判断当前新值（ newValue ）是否为对象，如果是，则直接调用 this.walk() 方法将当前对象再次转为响应式对象，处理深层对象。

通过改善后的 Observer 类，我们就可以实现将单层或深层嵌套的普通对象转换为响应式对象。

4. 实现 watcher.js

这里实现了 Dep 被观察者类（依赖收集者）和 Watcher 观察者类。

class Dep {
    constructor() {
        this.subs = [];
    }
    addSub(watcher) {
        this.subs.push(watcher);
    }
    notify(data) {
        this.subs.forEach(sub => sub.update(data));
    }
}

class Watcher {
    constructor (vm, key, cb) {
        this.vm = vm;   // vm：表示当前实例
        this.key = key; // key：表示当前操作的数据名称
        this.cb = cb;   // cb：表示数据发生改变之后的回调

        Dep.target = this; // 全局唯一
      
        // 此处通过 this.vm.$data[key] 读取属性值，触发 getter
        this.oldValue = this.vm.$data[key]; // 保存变化的数据作为旧值，后续作判断是否更新

        // 前面 getter 执行完后，执行下面清空
        Dep.target = null;
    }
    
    update () {
        console.log(`数据发生变化！`);
        let oldValue = this.oldValue;
        let newValue = this.vm.$data[this.key];
        if (oldValue != newValue) {  // 比较新旧值，发生变化才执行回调
            this.cb(newValue, oldValue);
        };
    }
}

相比较第四节实现的 Watcher  类，这里做了调整：

• 在构造函数中，增加 Dep.target 值操作；
• 在构造函数中，增加 oldValue 变量，保存变化的数据作为旧值，后续作为判断是否更新的依据；
• 在 update() 方法中，增加当前操作对象 key 对应值的新旧值比较，如果不同，才执行回调。

Dep.target 是当前全局唯一的订阅者，因为同一时间只允许一个订阅者被处理。target 指当前正在处理的目标订阅者，当前订阅者处理完就赋值为 null 。这里 Dep.target 会在 defineReactive() 的 getter 中使用到。

通过改善后的 Watcher 类，我们操作当前操作对象 key 对应值的时候，可以在数据有变化的情况才执行回调，减少资源浪费。

4. 实现 compile.js

compile.js 实现了 Vue.js 的模版编译，如将 HTML 中的 {{text}} 模版转换为具体变量的值。

compile.js 介绍内容较多，考虑到篇幅问题，并且本文核心介绍响应式原理，所以这里就暂时不介绍 compile.js 的实现，在学习的朋友可以到我 Github 上下载该文件直接下载使用即可，地址：
https://github.com/pingan8787/Leo-JavaScript/blob/master/Cute-Gist/Vue/leo-vue-reactive/compile.js

5. 测试代码

到这里，我们已经将第四节的 demo 改造成简易版 Vue.js 响应式，接下来打开 index.html 看看效果：

当 index.js 中执行到：

vm.$data.text = '我们必须经常保持旧的记忆和新的希望。';

页面便发生更新，页面显示的文本内容从“你好，前端自习课”更新成“我们必须经常保持旧的记忆和新的希望。”。

到这里，我们的简易版 Vue.js 响应式原理实现好了，能跟着文章看到这里的朋友，给你点个大大的赞👍

六、总结

本文首先通过回顾观察者模式和 Object.defineProperty() 方法，介绍 Vue.js 响应式原理的核心知识点，然后带大家通过一个简单示例实现简单响应式，最后通过改造这个简单响应式的示例，实现一个简单 Vue.js 响应式原理的示例。

相信看完本文的朋友，对 Vue.js 的响应式原理的理解会更深刻，希望大家理清思路，再好好回味下~

参考资料

1. 官方文档 - 深入响应式原理 
2. 《浅谈Vue响应式原理》
3. 《Vue的数据响应式原理》