Vue源码解读四:AST抽象语法树

折原娇君

本篇内容是在模板引擎的基础上,结合虚拟DOM进行的讨论,基于三者之间的关系,总结出下图示意:

graph TD
    A[模板语法] -->|解析| B(抽象语法树AST)
    B --> |调用|C[渲染函数即h函数]
    C -->|生成| D[虚拟节点diff/patch]
    D --> |更新| E(界面)

1. 抽象语法树(AST)是什么?

抽象语法树,Abstract Syntax Tree(简称:AST)本质上就是一个js对象。
模板语法先变成抽象语法树,然后再将语法树(主要起过渡作用)编译为正常的HTML语法。
vue 中使用模板语法所写的html结构,不是真正的dom,vue底层视作字符串,逐字审查字符串,解析为JS对象。

2. 抽象语法树和虚拟节点的关系?

如前文图示,模板语法->抽象语法树AST->渲染函数(h函数)->虚拟节点-(diff/patch)>界面
那既然已经了解了AST是由模板语法得到的,那这个处理过程到底是怎么进行的呢?先从与此相关的最基本算法说起~

3. 相关算法储备

1). 指针思想(JS中的指针只是字符串或者数组的一个下标位置,不同于C语言中的指针,多说一句,C语言中的指针是可以操作内存的)
在此列一个算法例子,体会指针在js中的应用:找出字符串aaaaaabbbbbbbcccccccccccccddddd'中,连续重复出现次数最多的字符。
在解这个算法的时候,既然有“最多”,那必然是有比较,而比较的对象至少得有两个,因此首先就要想到我们需要设置两个指针,而这两个指针的位置如何确定呢?再一看题目是“连续”,所以两指针的初始位置必然是相邻的,如下图:
指针初始位置
确定了i,j两指针位置后,就开始进行比较了,比较过程中如果i,j指向的字符相同,则i不动,j后移;否则将j此刻的值赋给i,j后移一位,说明在赋值之前,i,j之前的字符都是相同的;开启新一轮i,j是否相同的比较,比较的结束条件是i不小于这个字符串的长度length。
分析完解题思路,代码就好写了:

// 给定一个字符串
var str = 'aaaaaabbbbbbbcccccccccccccddddd';
// 设置两指针
var i = 0, j = 1;
// 记录重复最多次数
var maxRepeat = 0;
// 记录重复最多的字符;
var maxRepeatStr= '';
// 当i还在范围内的时候,应该继续寻找
while(i <= str.length - 1) {
  // 看i指向的字符和j指向的字符是不是不相同
  if (str[i] ==== str[j]) {
    j++;
  } else {
    // console.log(i+'和'+j+'之间的文字连续相同,字母'+str[i]+'重复了'+ (j - i) + '次')
    // 和当前重复次数最多的进行比较
    if (j - i > maxRepeat) {
      // 如果当前文字重复次数(j-i)超过了此时的最大值
      // 就让它成为最大值
      maxRepeat = j - i;
      maxRepeatStr = str[i]
    }
    i = j;
    j++;
  }
}
// 循环结束之后,就可以输出答案了
console.log('maxRepeatChar', maxRepeatChar)

2)递归深入-即规则复现
同上列举一个例子,体会递归的运算效率:试输出斐波那契数列的前10项,即1、1、2、3、5、8、13、21、34、55。然后请思考,代码是否有大量重复的计算?应该如何解决重复计算?
观察推理得出,这一列数字从第三项起都是自身得前两项之和,所以每次只要前两项相加即可,初级代码如下:

// 试输出斐波那契数列的前10项,即1、1、2、3、5、8、13、21、34、55
// 创建一个函数,功能是返回下标为n的这项的数字
// 递归需要有终点
function fib(n) {
  console.log('fid-n:', n)
  // 看下标n是不是0或1,如果是,返回常数1
  // 如果不是,就递归
  return n == 0 || n == 1 ? 1 : fib(n - 1) + fib(n - 2)
}
for (var i = 0; i < 9; i++) {
  console.log(fib(i))
}

这样做的内存开销是非常大的,相当于每次计算都需要把前两项再计算一下
斐波那契数列
所以优化以上的算法,在此引入一个缓存的概念,这样每次计算的值都进行缓存,再进行下次计算时只需要把缓存里的两项拿出来做计算就可以。

for(var i = 0; i < 10; i ++) {
  console.log(fib(i));
}
// 定义一个缓存对象,用来存放已经计算的项
var  cache = {};
function fib(n) {
  // 判断缓存对象中有没有这个值,如果有,直接返回
  if (cache.hasOwnProperty(n)) {
    return cache[n]
  }
  // 缓存对象没有这个值
  // 看下标n是不是0或1,如果是,返回常数1
  // 如果不是,就递归
  var v = (n === 0 || n === 1) ? 1 : fib(n -1) + fib(n - 2);
  // 写入缓存,也就是说,每算一个值,就要把这个值存入缓存对象
  cache[n] = v;
  return v;
}

3)递归的深入用法(离最终的AST算法越来越接近了~)
试将高维数组[1, 2, [3, [4, 5], 6], 7, [8], 9]变为图中所示的对象

{
   children: [
       {value: 1},
       { value: 2},
       { children: [
            {value: 3},
            { children: [
                { value: 4},
                { value: 5}
             ]},
             {value: 6}
        ]},
        { value: 7},
        { children: [
            { value: 8},
            { value: 9}
        ]}
   ]
}

这个算法是将多维数组处理为一个对象,从第一层去遍历,如果是数字,则存为对象,若是数组,则存为该层的一个子级chldren,再按照此规律处理自己里边的数字,数组,直到再没有数组为止。通常的做法是将这个数组作为整体去递归:

// 解法①
// 测试数组
var arr = [1,2, 3, [4, 5, [6, 7], 8], 9];
var indexI = 0;
// 转换函数
function convert(arr) {
  indexI++;
  // 准备一个结果数组
  var result = [];
  // 遍历传入的arr的每一项
  for (var i = 0; i < arr.length; i++) {
    // 如果遍历到的数字是number,直接放进去
    if (typeof arr[i] == "number") {
      result.push({value: arr[i]})
    } else if (Array.isArray(arr[i])) {
      // 如果遍历到的是数组,先建一个children
      result.push({
        children: convert(arr[i])
      })
      console.log('result:', result)
    }
  }
  // console.log('result:', result)
  return result;
}
var obj = convert(arr)
console.log(indexI) // 3
console.log(obj)
// 解法②
// 测试数组
var arr1 = [1,2, 3, [4, 5, [6, 7], 8], 9];
var indexJ = 0;
// 转换函数
// 即写法1的递归次数小于写法②,写法②中,遇见任何类型数据都要递归一下
function convert1(item) {
  indexJ++;
  if (typeof item == 'number') {
    return {value: item}
  } else if (Array.isArray(item)) {
    // 如果传进来的参数是数组
    return {
      children: item.map(_item => convert1(_item))
    }
  }
}
var obj1 = convert1(arr1)
console.log(indexJ) // 12
console.log(obj1)

4)堆栈

  • 又名堆栈,它是一种运算受限的线性表,仅在表尾能进行插入删除操作。这一端被称为栈顶,相对地,把另一端称为栈底
  • 向一个栈插入新元素又称作进栈入栈压栈;从一个栈删除元素又称作出栈退栈
  • 后进先出(LIFO)特点:栈中的元素,最先进栈的必定最后出栈,后进栈的一定会先出栈。
  • JS中,栈可以用数组模拟。需要限制只能使用push()和pop(),不能使用unshift()和shift()。即数组尾是栈顶
  • 可以用面向对象等手段,将栈封装的更好。
  • 栈栈和递归非常像
  • 词法分析的时候,经常要用到栈这个数据结构
    栈-先进后出
    试编写“智能重复”smartRepeat函数,实现:
    将3[abc]变为abcabcabc
    将3[2[a]2[b]]变为aabbaabbaabb
    将2[1[a]3[b]2[3[c]4[d]]]变为abbbcccddddcccddddabbbcccddddcccdddd
    不用考虑输入字符串是非法的情况,比如:
    2[a3[b]]是错误的,应该补一个1,即2[1[a]3[b]]
    [abc]是错误的,应该补一个1,即1[abc]
    看到这个题目,是不是跟上面的指针的例子有点前后呼应了,指针的例子是找出重复的字符,而这这个例子则是按照[前的数字展开字符。
    结合栈的概念,那这个例子的解法思路是:
  • 遍历每一个字符,如果是数字,那么就将该数字压入栈①;如果是[,就把空字符串压入栈②;如果是字母,就用这个字符替换栈②顶的空字符串;
  • 如果是],就将栈①中的数字n弹栈,再把栈②中栈顶的字母重复n(这个数字)次数,从栈②中弹出,拼接到新栈②的顶上。
function smartRepeat(templateStr) {
  let index = 0; // 指针
  let stack1 = [], stack2 = []; // stack1存放数字,stack2存放临时字符串
  var rest = templateStr; // 字符串剩余部分
  while(index < templateStr.length - 1){ // 遍历
    rest = templateStr.substring(index); // 剩余部分
    if (/^\d+\[/.test(rest)){ // 看当前剩余部分是不是以数字和[开头
      let times = Number(rest.match(/^(\d+)\[/)[1]); // 得到这个数字
      stack1.push(times); // 就把数字压栈
      stack2.push('') // 把空字符串压栈
      index += times.toString().length + 1;  // 让指针后移,times这个数字是多少位数,就后移多少位在加1
    } else if (/^\w+]/.test(rest)){
      // 如果是字母,那么此时就把栈顶这项改为这个字母
      let word = rest.match(/^(\w+)\]/)[1];
      stack2[stack2.length - 1] = word;
      // 让指针后移,word这个数字是多少位数,就后移多少位在加1
      index += word.length
    } else {
      // 如果这个字符是],那么就
      // Ⅰ将stack1弹栈,就把字符串栈②的栈②顶的元素重复刚刚这个数字次数,
      let times_pop = stack1.pop();
      // Ⅱ弹栈②(stack2),
      let word = stack2.pop();
      // Ⅲ把字符串栈的新栈顶的元素重复刚刚弹出的那个字符串指定次数,拼接到新栈②顶上
      // repeat 是es6的方法,比如'a'.repeat(3), 得到'aaa'
      stack2[stack2.length - 1] += word.repeat(times_pop)
      index += 1
    }
  }
  // while结束之后,stack1和stack2中肯定还剩余1项。
  // 返回栈2中剩下的这一项,重复栈1中剩下的这1项次数,组成这个字符串
  // 如果剩的个数不对,那就是方括号]没有闭合
  return stack2[0].repeat(stack1[0])
}
var str = smartRepeat('3[1[a]3[b]2[3[c]4[d]]]')
console.log(str) // abbbcccddddcccddddabbbcccddddcccddddabbbcccddddcccdddd

AST的形成

有了前面四部分的铺垫,基本掌握了AST所需要的算法及数据结构,下面给出一个模板字符串(相当于vue种template中的模板)

var templateString = `
    <div class="box aa" id="mybox">
        <h3>你好</h3>
        <ul>
            <li>A</li>
            <li>B</li>
            <li>C</li>
            <li>D</li>
        </ul>
    </div>
`
var ast = parse(templateString)
console.log('ast:\n', ast)

parse函数就是将模板解析为AST,最终返回AST,解析过程和上例基本相同:

parse.js
export default function (templateString) {
    // 指针
    var index = 0;
    // 剩余部分
    var rest = '';
    // 开始标记
    var startRegExp = /^\<([a-z]+[1-6]?)(\s[^\<]+)?\>/;
    // 结束标记
    var endRegExp = /^\<\/([a-z]+[1-6]?)/;
    // 准备两个栈;
    var stack1 = [];
    var stack2 = [{children: []}];
    // 抓取结束标记前的文字
    var wordRepExp = /^([^\<]+)\<\/[a-z]+[1-6]/
    while (index < templateString.length - 1) {
        rest = templateString.substring(index)
        // console.log(templateString[index])
        // 识别遍历到的这个字符,是不是一个开始标签
        if (startRegExp.test(rest)) {
            let tag = rest.match(startRegExp)[1];
            let attrsString = rest.match(startRegExp)[2];
            // console.log('检测到开始标记:', tag)
            // 将开始标记推入栈中
            stack1.push(tag)
            stack2.push({children: [], tag: tag, attrs: parseAttrString(attrsString)})
            // 指针移动标签的长度加2再加attrsString的长度,因为<>占两位
            const attrLen = attrsString ? attrsString.length : 0;
            index += tag.length + 2 + attrLen;
        } else if (endRegExp.test(rest)) {
            //  识别遍历到的字符,是不是结束标签
            // 指针移动标签的长度加3,因为</>占三位
            let tag = rest.match(endRegExp)[1];
            // 此时tag一定是和stack1栈顶元素相同的
            let pop_tag = stack1.pop();
            if (tag == pop_tag) {
                let pop_arr = stack2.pop();
                if (stack2.length) {
                    // 检查stack2[stack2.length - 1]是否有children属性,如果没有就创建一个数组
                    stack2[stack2.length - 1].children.push(pop_arr)
                }
            } else {
                throw new Error(stack1[stack1.length - 1] + '标签没有封闭')
            }
            // console.log('检测到结束标记:', tag)
            index += tag.length + 3;
            // console.log(stack1, JSON.stringify(stack2))
        } else if (wordRepExp.test(rest)) {
            // 识别遍历到的这个字符,是不是文字,并且不是全空
            let word = rest.match(wordRepExp)[1];
            // 看word是不是全是空
            if (!/^\s+$/.test(rest)) {
                // 不是空
                // console.log('检测到文字-', word)
                // 改变此时sctack2栈顶元素
                stack2[stack2.length - 1].children.push({
                    'text': word,
                    'type': 3
                })
            }
            // 指针移动标签的长度加字符长度
            index += word.length;
        } else {
            // 标签中的文字
            index++;
        }
    }
    // console.log(stack2)
    // 此时stack2就是我们之前默认放置的一项了,此时要返回这一项的children即可
    return stack2[0].children[0];
}

在这个AST的分解过程,还有一个不能忽略的细节是:标签所带的属性,如class,id等,所以parseAttrString函数中就是对标签属性的处理:

parseAttrString.js
// 把attrsString 组装为数组之后返回
export default function (attrsString) {
    if (!attrsString) return []
    // console.log('attrsString', attrsString)
    // 当前是否在引号内
    var isYinhao = false;
    // 断点
    var point = 0;
    // 结束数组
    var result = [];
    // 遍历attrsString,而不是用split()一个空格分隔
    for (let i = 0; i < attrsString.length; i++) {
        let char = attrsString[i];
        if (char == '"') {
            isYinhao = !isYinhao
        } else if (char == ' ' && !isYinhao) {
            // 遇见了空格,并且不在引号内
            // console.log(i)
            if (!/^\s*$/.test(attrsString.substring(point, i))) {
                result.push(attrsString.substring(point, i).trim())
            }
            point = i;
        }
    }
    // 循环结束之后,最后还剩一个属性k-v
    result.push(attrsString.substring(point).trim())
    // 下面的代码功能是:将["k=v","k=v", "k=v"]变为[{name: k, value: v}, {name: k, value: v}]这种类型
    result = result.map(item => {
        // 根据等号拆分
        const o = item.match(/^(.+)="(.+)"$/);
        return {
            name: o[1],
            value: o[2]
        }
    })
    console.log(result)
    return result
}

完整代码:抽象语法树

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