浅谈 Virtual DOM

前言

“Virtual Dom 的优势是什么？” 这是一个常见的面试问题，但是答案真的仅仅是简单粗暴的一句“直接操作dom和频繁操作dom的性能很差”就完事了吗？如果是这样的话，不妨继续深入地问几个问题：

直接操作Dom的性能为什么差？
Virtual Dom到底是指什么？它是如何实现的？
为什么Virtual Dom能够避免直接操作dom引起的问题？

如果发现自己对这些问题不(yi)太(lian)确(meng)定(bi)，那么不妨往下读一读。

正文

Virtual Dom，也就是虚拟的Dom, 无论是在React还是Vue都有用到。它本身并不是任何技术栈所独有的设计，而是一种设计思路，或者说设计模式。

DOM

在介绍虚拟dom之前，首先来看一下与之相对应的真实Dom:

DOM(Document Object Model)的含义有两层:

基于对象来表示的文档模型(the object-based representation);
操作这些对象的API;

形如以下的html代码，

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <title>Document</title>
</head>
<body>
    <h1>Learning Virtual Dom</h1>
    <ul class="list">
        <li class="list-item">List item</li>
    </ul>
</body>
</html>

根据DOM会被表示为如下一棵树: 树的每个分支的终点都是一个节点(node)，每个节点都包含着对象，包含一些节点属性。这就是基于对象来表示文档。

其次，DOM允许我们通过一些的api对文档进行操作，例如：

const listItemOne = document.getElementsByClassName("list-item")[0]; // 获取节点
listItemOne.textContent = "List item one"; // 修改对应的文本内容
const listItemTwo = document.createElement("li"); // 创建一个元素对象
listItemTwo.classList.add("list-item"); // 添加子元素
listItemTwo.textContent = "List item two";
list.appendChild(listItemTwo);

简而言之。DOM的作用就是把web页面和脚本(通常是指Javascript)关联起来。

DOM操作带来的性能问题

那么原生的DOM操作存在哪些问题呢？在此还需要了解到浏览器工作的一些流程，通常来说，一个页面的生成需要经历以下步骤：

解析HTML，产出对应的DOM树；
解析CSS, 生成对应的CSS树；
将1和2的结果结合生成一棵render树；
生成页面的布局排列(flow)
将布局绘制到显示设备上(paint)

其中第4步和第5步其实就是常说的页面渲染，而渲染的过程除了在页面首次加载时发生，在后续交互过程中，DOM操作也会引起重新排列和重新绘制，渲染是需要较高性能代价的，尤其是重排的过程。

所以常见的优化思路都会提到一点: 为了尽可能减少重绘和重排次数，尽量把改变dom的操作集中在一起，因为写入操作会触发重绘或者重排，并且浏览器的渲染队列机制是：当某个操作触发重排或重绘时，先把该操作放进渲染队列，等到队列中的操作到了一定的数量或者到了一定的时间间隔时，浏览器就会批量执行。所以集中进行dom操作可以减少重绘重排次数。

另一方面，关于DOM操作的影响范围问题：由于浏览器是基于流式布局的，所以一旦某个元素重排，它的内部节点会受到影响，而外部节点（兄弟节点和父级节点等等）是有可能不受影响的，这种局部重排引起的影响比较小，所以也需要尽可能地每次只改动最需要的节点元素。

Virtual DOM概览

Virtual DOM 就是为了解决上面这个问题而生的，它为我们操作dom提供了一种新的方式。

virtual DOM 的本质就是真实dom的一个副本，无需使用DOM API,就可以频繁地操作和更新此副本。对虚拟DOM进行所有更新后，我们可以查看需要对原始DOM进行哪些特定更改，并以针对性和优化的方式进行更改.

这个思路可以参照行军打仗时的沙盘，沙盘的一个作用就是模拟军队的排列分布。设想一下不借助沙盘时的场景：

将军1：我觉得三队的士兵应该往东边移动200米，侧翼埋伏，然后传令官跑去通知三队的士兵，吭哧吭哧跑了200米；

将军2: 我觉得四队的士兵应该往西边移动200米，和三队形成合围之势，然后传令官继续通知，四队的士兵也继续奔跑。

将军3：我觉得埋伏的距离太远了，近一点比较好，两队各向中间移动100米吧。

然后可怜的士兵们继续来回跑....

在这个过程里每次行军移动都要带来大量的开销，每次都直接用实际行动执行还在商讨中的指令，成本是很高的。实际上在将军们探讨商量布阵排列时，可以

先在沙盘上进行模拟排列，
等到得出理想方阵之后，最后再通知到手下的士兵进行对应的调整，

这也就是 Virtual DOM 要做的事。

Virtual DOM 的简化实现

那么 Virtual DOM大概是什么样呢？还是按照前面的html文件，对应的virtual dom大概长这样（不代表实际技术栈的实现，只是体现核心思路）：

const vdom = {
    tagName: "html",// 根节点
    children: [
        { tagName: "head" },
        {
            tagName: "body",
            children: [
                {
                    tagName: "ul",
                    attributes: { "class": "list" },
                    children: [
                        {
                            tagName: "li",
                            attributes: { "class": "list-item" },
                            textContent: "List item"
                        } // end li
                    ]
                } // end ul
            ]
        } // end body
    ]
} // end html

我们用一棵js的嵌套对象树表示出了dom树的层级关系以及一些核心属性，children表示子节点。
在前文我们用原生dom给ul做了一些更新，现在使用Virtual Dom来实现这个过程：

针对当前的真实DOM复制一份virtual DOM，以及期望改动后的virtual DOM;

const originalDom = {
tagName: "html",// 根节点
children: [
//省略中间节点
  {
     tagName: "ul",
     attributes: { "class": "list" },
     children: [
         {
             tagName: "li",
             attributes: { "class": "list-item" },
             textContent: "List item"
         }
     ]
  }
],
}
const newDom = {
tagName: "html",// 根节点
children: [
  //省略中间节点
   {
     tagName: "ul",
     attributes: { "class": "list" },
     children: [
         {
             tagName: "li",
             attributes: { "class": "list-item" },
             textContent: "List item one" //改动1，第一个子节点的文本 
         },
         {// 改动2，新增了第二个节点
             tagName: "li",
             attributes: { "class": "list-item" },
             textContent: "List item two"
         }
     ]
  }
 ], 
};

比对差异

const diffRes = [
 {
   newNode:{/*对应上面ul的子节点1*/}，
   oldNode:{/*对应上面originalUl的子节点1*/}，
 },
 {
   newNode:{/*对应上面ul的子节点2*/}，//这是新增节点，所以没有oldNode
 },
]

收集差异结果之后，发现只要更新list节点，，伪代码大致如下：

const domElement = document.getElementsByClassName("list")[0];
diffRes.forEach((diff) => {
 const newElement = document.createElement(diff.newNode.tagName);
 /* Add attributes ... */
 
 if (diff.oldNode) {
     // 如果存在oldNode则替换
     domElement.replaceChild(diff.newNode, diff.index);
 } else {
     // 不存在则直接新增
     domElement.appendChild(diff.newNode);
 }
})

当然，实际框架诸如vue和react里的diff过程不只是这么简单，它们做了更多的优化，例如：

对于有多个项的ul，往其中append一个新节点，可能要引起整个ul所有节点的改动，这个改动成本太高，在diff过程如果遇到了，可能会换一种思路来实现，直接用js生成一个新的ul对象，然后替换原来的ul。这些在后续介绍各个技术栈的文章（可能）会详细介绍。

可以看到，Virtual DOM的核心思路：先让预期的变化操作在虚拟dom节点，最后统一应用到真实DOM中去，这个操作一定程度上减少了重绘和重排的几率，因为它做到了：

将实际dom更改放在diff过程之后， diff的过程有可能经过计算，减少了很多不必要的改变（如同前文将军3的命令一出，士兵的实际移动其实就变少了）；
对于最后必要的dom操作，也集中在一起处理，贴合浏览器渲染机制，减少重排次数；
小结：回答开头的问题

现在我们回到开篇的问题--“Virtual Dom 的优势是什么？”

在回答这道题之前，我们还需要知道：

首先，浏览器的DOM 引擎、JS 引擎相互独立，但是共用主线程；
JS 代码调用 DOM API 必须挂起 JS 引擎，激活 DOM 引擎，DOM 重绘重排后，再激活 JS 引擎并继续执行；
若有频繁的 DOM API 调用，浏览器厂商不做“批量处理”优化，所以切换开销和重绘重排的开销会很大；

而Virtual Dom 最关键的地方就是把dom需要做的更改，先放在js引擎里进行运算，等收集到一定期间的所有dom变更时，这样做的好处是：

减少了dom引擎和js引擎的频繁切换带来的开销问题；
可能在计算比较后，最终只需要改动局部，可以较少很多不必要的重绘重排；
把必要的Dom操作尽量集中在一起做，减少重排次数

总结

本文从一个常见面试问题出发，介绍了Dom 和Virtual Dom的概念，以及直接操作Dom可能存在的问题，通过对比来说明Virtual Dom的优势。对于具体技术栈中的Virtual Dom diff过程和优化处理的方式，没有做较多说明，更专注于阐述Virtual Dom本身的概念。

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浅谈 Virtual DOM

前言

正文

DOM

DOM操作带来的性能问题

Virtual DOM概览

Virtual DOM 的简化实现

小结：回答开头的问题

总结

安歌

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