一步步带你搞懂虚拟 DOM 的工作原理

概述

React 和 Vue 中都有虚拟 DOM 的概念，我们应该如何理解和掌握虚拟 DOM 的精髓呢？我推荐大家学习 Snabbdom 这个项目。Snabbdom 是一个虚拟 DOM 实现库，推荐的原因一是代码比较少，核心代码只有几百行；二是 Vue 就是借鉴此项目的思路来实现虚拟 DOM 的；三是这个项目的设计/实现和扩展思路值得参考。

snabb /snab/，瑞典语，意思是快速的。

要学习虚拟 DOM，我们得先知道 DOM 的基础知识和用 JS 直接操作 DOM 的痛点在哪里。

DOM 的作用和类型结构

DOM（Document Object Model）是一种文档对象模型，用一个对象树的结构来表示一个 HTML/XML 文档，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。DOM API 的方法让你可以用特定方式操作这个树，用这些方法你可以改变文档的结构、样式或者内容。

DOM 树中的所有节点首先都是一个 Node，Node 是一个基类。Element，Text 和 Comment 都继承于它。
换句话说，Element，Text 和 Comment 是三种特殊的 Node，它们分别叫做 ELEMENT_NODE,
TEXT_NODE 和 COMMENT_NODE，代表的是元素节点（HTML 标签）、文本节点和注释节点。其中 Element 还有一个子类是 HTMLElement，那 HTMLElement 和 Element 有什么区别呢？HTMLElement 代表 HTML 中的元素，如：<span>、<img> 等，而有些元素并不是 HTML 标准的，比如 <svg>。可以用下面的方法来判断这个元素是不是 HTMLElement：

document.getElementById('myIMG') instanceof HTMLElement;

为什么需要虚拟 DOM？

浏览器创建 DOM 是很“昂贵”的。来一个经典示例，我们可以通过 document.createElement('div') 创建一个简单的 div 元素，将属性都打印出来康康：

可以看到打印出来的属性非常多，当频繁地去更新复杂的 DOM 树时，会产生性能问题。虚拟 DOM 就是用一个原生的 JS 对象去描述一个 DOM 节点，所以创建一个 JS 对象比创建一个 DOM 对象的代价要小很多。

VNode

Vnode 就是 Snabbdom 中描述虚拟 DOM 的一个对象结构，内容如下：

type Key = string | number | symbol;

interface VNode {
  // CSS 选择器，比如：'div#container'。
  sel: string | undefined;
  
  // 通过 modules 操作 CSS classes、attributes 等。
  data: VNodeData | undefined; 
  
   // 虚拟子节点数组，数组元素也可以是 string。
  children: Array<VNode | string> | undefined;
  
  // 指向创建的真实 DOM 对象。
  elm: Node | undefined;
  
  /**
   * text 属性有两种情况：
   * 1. 没有设置 sel 选择器，说明这个节点本身是一个文本节点。
   * 2. 设置了 sel，说明这个节点的内容是一个文本节点。
   */
  text: string | undefined;
  
  // 用于给已存在的 DOM 提供标识，在同级元素之间必须唯一，有效避免不必要地重建操作。
  key: Key | undefined;
}

// vnode.data 上的一些设置，class 或者生命周期函数钩子等等。
interface VNodeData {
  props?: Props;
  attrs?: Attrs;
  class?: Classes;
  style?: VNodeStyle;
  dataset?: Dataset;
  on?: On;
  attachData?: AttachData;
  hook?: Hooks;
  key?: Key;
  ns?: string; // for SVGs
  fn?: () => VNode; // for thunks
  args?: any[]; // for thunks
  is?: string; // for custom elements v1
  [key: string]: any; // for any other 3rd party module
}

例如这样定义一个 vnode 的对象：

const vnode = h(
  'div#container',
  { class: { active: true } },
  [
    h('span', { style: { fontWeight: 'bold' } }, 'This is bold'),
    ' and this is just normal text'
]);

我们通过 h(sel, b, c) 函数来创建 vnode 对象。h() 代码实现中主要是判断了 b 和 c 参数是否存在，并处理成 data 和 children，children 最终会是数组的形式。最后通过 vnode() 函数返回上面定义的 VNode 类型格式。

Snabbdom 的运行流程

为方便理解，我把 Snabbdom 的典型过程分为创建流程和更新流程，如下图所示：

diff 处理是用来计算新老节点之间差异的处理过程。

再来看一段 Snabbdom 运行的示例代码：

import {
  init,
  classModule,
  propsModule,
  styleModule,
  eventListenersModule,
  h,
} from 'snabbdom';

const patch = init([
  // 通过传入模块初始化 patch 函数
  classModule, // 开启 classes 功能
  propsModule, // 支持传入 props
  styleModule, // 支持内联样式同时支持动画
  eventListenersModule, // 添加事件监听
]);

// <div id="container"></div>
const container = document.getElementById('container');

const vnode = h(
  'div#container.two.classes',
  { on: { click: someFn } },
  [
    h('span', { style: { fontWeight: 'bold' } }, 'This is bold'),
    ' and this is just normal text',
    h('a', { props: { href: '/foo' } }, "I'll take you places!"),
  ]
);

// 传入一个空的元素节点，创建 DOM。
patch(container, vnode);

const newVnode = h(
  'div#container.two.classes',
  { on: { click: anotherEventHandler } },
  [
    h(
      'span',
      { style: { fontWeight: 'normal', fontStyle: 'italic' } },
      'This is now italic type'
    ),
    ' and this is still just normal text',
    h('a', { props: { href: ''/bar' } }, "I'll take you places!"),
  ]
);

// 再次调用 patch()，将旧节点更新为新节点。
patch(vnode, newVnode);

运行流程描述如下：

• 创建流程：首先调用 init() 进行初始化，初始化时需要配置需要使用的模块。比如 classModule 模块用来使用对象的形式来配置元素的 class 属性，eventListenersModule 模块用来配置事件监听器等等。init() 调用后会返回 patch() 函数。通过 h() 函数创建初始化 vnode 对象，调用 patch() 函数，最后通过 createElm() 创建真正的 DOM 对象。
• 更新流程：创建一个新的 vnode 对象，调用 patch() 函数去更新，经过 patchVnode() 和 updateChildren() 完成本节点和子节点的差异更新。

在讲解具体的创建和更新流程前，先来看看 Snabbdom 中的模块思想。Snabbdom 通过生命周期函数和模块扩展这种设计方式将虚拟 DOM 相关属性的更新代码从核心代码中抽离出来。那这是如何设计与实现的？

生命周期函数和模块

Snabbdom 提供了一系列丰富的生命周期函数也就是钩子函数，这些生命周期函数适用在模块中或者可以直接定义在 vnode 上。比如我们可以在 vnode 上这样定义钩子的执行：

h('div.row', {
  key: 'myRow',
  hook: {
    // insert 钩子。
    insert: (vnode) => {
      console.log(vnode.elm.offsetHeight);
    },
  },
});

全部的生命周期函数声明如下：

名称	触发节点	回调参数
pre	patch 开始执行	none
init	vnode 被添加	vnode
create	一个基于 vnode 的 DOM 元素被创建	emptyVnode, vnode
insert	元素被插入到 DOM	vnode
prepatch	元素即将 patch	oldVnode, vnode
update	元素已更新	oldVnode, vnode
postpatch	元素已被 patch	oldVnode, vnode
destroy	元素被直接或间接得移除	vnode
remove	元素已从 DOM 中移除	vnode, removeCallback
post	已完成 patch 过程	none

其中适用于模块的是：pre, create,update, destroy, remove, post。适用于 vnode 声明的是：init, create, insert, prepatch, update,postpatch, destroy, remove。

我们来看看是如何实现的，比如我们以 classModule 模块为例，康康它的声明：

import { VNode, VNodeData } from "../vnode";
import { Module } from "./module";

export type Classes = Record<string, boolean>;

function updateClass(oldVnode: VNode, vnode: VNode): void {
  // 这里是更新 class 属性的细节，先不管。
  // ...
}

export const classModule: Module = { create: updateClass, update: updateClass };

可以看到最后导出的模块定义是一个对象，对象的 key 就是钩子函数的名称，模块对象 Module 的定义如下：

import {
  PreHook,
  CreateHook,
  UpdateHook,
  DestroyHook,
  RemoveHook,
  PostHook,
} from '../hooks';

export type Module = Partial<{
  pre: PreHook;
  create: CreateHook;
  update: UpdateHook;
  destroy: DestroyHook;
  remove: RemoveHook;
  post: PostHook;
}>;

TS 中 Partial 表示对象中每个 key 的属性都是可以为空的，也就是说模块定义中你关心哪个钩子，就定义哪个钩子就好了。钩子的定义有了，在流程中是怎么执行的呢？接着我们来看 init() 函数：

// 模块中可能定义的钩子有哪些。
const hooks: Array<keyof Module> = [
  "create",
  "update",
  "remove",
  "destroy",
  "pre",
  "post",
];

export function init(
  modules: Array<Partial<Module>>,
  domApi?: DOMAPI,
  options?: Options
) {
  // 模块中定义的钩子函数最后会存在这里。
  const cbs: ModuleHooks = {
    create: [],
    update: [],
    remove: [],
    destroy: [],
    pre: [],
    post: [],
  };

  // ...

  // 遍历模块中定义的钩子，并存起来。
  for (const hook of hooks) {
    for (const module of modules) {
      const currentHook = module[hook];
      if (currentHook !== undefined) {
        (cbs[hook] as any[]).push(currentHook);
      }
    }
  }
  
  // ...
}

可以看到 init() 在执行时先遍历各个模块，然后把钩子函数存到了 cbs 这个对象中。执行的时候可以康康 patch() 函数里面：

export function init(
  modules: Array<Partial<Module>>,
  domApi?: DOMAPI,
  options?: Options
) {
  // ...
  
  return function patch(
  oldVnode: VNode | Element | DocumentFragment,
   vnode: VNode
  ): VNode {
    // ...
    
    // patch 开始了，执行 pre 钩子。
    for (i = 0; i < cbs.pre.length; ++i) cbs.pre[i]();
    
    // ...
  }
}

这里以 pre 这个钩子举例，pre 钩子的执行时机是在 patch() 开始执行时。可以看到 patch() 函数在执行的开始处去循环调用了 cbs 中存储的 pre 相关钩子。其他生命周期函数的调用也跟这个类似，大家可以在源码中其他地方看到对应生命周期函数调用的地方。

这里的设计思路是观察者模式。把非核心功能放在模块中实现，结合生命周期的定义，模块可以定义它自己感兴趣的钩子，然后 init() 执行时处理成 cbs 对象就是注册这些钩子；当执行时间到来时，调用这些钩子来通知模块处理。这样就把核心代码和模块代码分离了出来，从这里我们可以看出观察者模式是一种代码解耦的常用模式。

创建流程

接下来我们以一个实际的例子来看下从虚拟 DOM 到 DOM 对象的创建过程，先看如下的代码：

const patch = init([
  // 配置需要使用的模块。
  classModule,
  propsModule,
  styleModule,
  eventListenersModule,
]);

// <div id="container"></div>
const container = document.getElementById('container');

const vnode = h(
  'div#container.two.classes',
  { on: { click: someFn } },
  [
    h('span', { style: { fontWeight: 'bold' } }, 'This is bold'),
    ' and this is just normal text',
    h('a', { props: { href: '/foo' } }, "I'll take you places!"),
  ]
);

// 传入一个空的元素节点，创建 DOM。
patch(container, vnode);

代码的内容是创建一个 vnode 后，调用 patch() 函数，传入一个 DOM 节点和 vnode 后完成挂载过程。

patch()

接下来我们来康康核心函数 patch()，这个函数是在 init() 调用后返回的，作用是执行 VNode 的挂载和更新，签名如下：

function patch(oldVnode: VNode | Element | DocumentFragment, vnode: VNode): VNode {
    // 为简单起见先不关注 DocumentFragment。
    // ...
}

oldVnode 参数是旧的 VNode 或 DOM 元素或文档片段，vnode 参数是更新后的对象。这里我们只关注与创建过程相关的代码部分，描述如下：

1. 调用模块上注册的 pre 钩子。
2. 在创建过程中 oldVnode 参数是一个 DOM 对象，则将其转换为空的 vnode 对象，属性里面记录了 elm。这里空的 vnode 对象的含义是没有 data 和 children。
3. 然后调用 sameVnode()，判断出 oldVnode 和 vnode 是不相同的，进入创建逻辑分支。sameVnode() 的具体判断逻辑在更新流程里再详细介绍。
4. 调用 createElm() 创建新的 DOM 节点，创建完毕后插入 DOM 节点并删除 oldVnode 关联的旧 DOM 节点。这个过程中可能也会有子节点需要插入。所有插入的 vnode 节点都会被放进 insertedVnodeQueue 队列中。
5. 遍历调用 insertedVnodeQueue 中插入的 vnode 对象的 insert 钩子。为什么在这里才统一调用而不在上一步的插入 DOM 节点后直接调用呢？在 createElm() 中再来解释这一点。
6. 最后调用模块上注册的 post 钩子。

接下来看下 createElm() 是如何创建 DOM 节点的。

createElm()

createElm() 的详细处理过程如下：

1. 调用 vnode 对象上可能存在的 init 钩子。

2. 然后分以下几种情况来处理：

   1. 如果 vnode.sel === '!'，这是 Snabbdom 用来删除原节点的方法，这样会新插入一个注释节点。因为在 createElm() 后会删除老节点，所以这样设置就可以达到卸载的目的。

   2. 如果 vnode.sel 选择器定义是存在的：

      1. 解析选择器，得到 id、tag 和 class。
      2. 调用 document.createElement() 或 document.createElementNS 创建 DOM 节点，并记录到 vnode.elm 中，并根据上一步的结果来设置 id、tag 和 class。
      3. 调用模块上的 create 钩子。

      4. 处理 children 子节点数组：

         1. 如果 children 是数组，则递归调用 createElm() 创建子节点后，调用 appendChild 挂载到 vnode.elm 下。
         2. 如果 children 不是数组但 vnode.text 存在，说明这个元素的内容是个文本，这个时候调用 createTextNode 创建文本节点并挂载到 vnode.elm 下。
      5. 调用 vnode 上的 create 钩子。如果 vnode 上定义了 insert 钩子，则将 vnode 加入到 insertedVnodeQueue 队列中。
   3. 剩下的情况就是 vnode.sel 不存在，说明节点本身是文本，那就调用 createTextNode 创建文本节点并记录到 vnode.elm。
3. 最后返回 vnode.elm。

总的来说，createElm() 是根据 sel 选择器的不同设置来选择如何创建 DOM 节点。这里具体说明一下 insertedVnodeQueue 队列的作用。需要这个队列的原因是要等到所有子孙节点都插入完成后才调用 insert，这样我们可以在 insert 中去计算元素的大小位置信息才是准确的。结合上面创建子节点的过程，createElm() 创建子节点是递归调用，所以队列会先记录子节点，再记录自身。这样在 patch() 的结尾执行这个队列时就可以保证这个顺序。

更新流程

更新的代码如下：

// ...

const vnode = h(
  'div#container.two.classes',
  { on: { click: someFn } },
  [
    h('span', { style: { fontWeight: 'bold' } }, 'This is bold'),
    ' and this is just normal text',
    h('a', { props: { href: '/foo' } }, "I'll take you places!"),
  ]
);

// 传入一个空的元素节点，创建 DOM。
patch(container, vnode);

// 创建一个新的 vnode。
const newVnode = h(
  'div#container.two.classes',
  { on: { click: anotherEventHandler } },
  [
    h(
      'span',
      { style: { fontWeight: 'normal', fontStyle: 'italic' } },
      'This is now italic type'
    ),
    ' and this is still just normal text',
    h('a', { props: { href: ''/bar' } }, "I'll take you places!"),
  ]
);

// 再次调用 patch()，将旧节点更新为新节点。
patch(vnode, newVnode);

首先依然会先调用 patch()，我们主要关注与创建流程中的不同点。在 patch() 中调用 sameVnode() 会发现 oldVnode 和 vnode 是相同的，sameVnode() 的具体代码如下：

function sameVnode(vnode1: VNode, vnode2: VNode): boolean {
  // 同样的 key。
  const isSameKey = vnode1.key === vnode2.key;
  
  // Web component，自定义元素标签名，看这里：
  // https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/Document/createElement
  const isSameIs = vnode1.data?.is === vnode2.data?.is;
  
  // 同样的选择器。
  const isSameSel = vnode1.sel === vnode2.sel;

  // 三者都相同即是相同的。
  return isSameSel && isSameKey && isSameIs;
}

接下来会调用 patchVnode() 做 diff 更新。

patchVnode()

patchVnode() 是虚拟 DOM 的核心函数，具体处理流程如下：

1. 首先执行 vnode 上 prepatch 钩子。
2. 如果 oldVnode 和 vnode 是同一个对象引用，则不处理直接返回。
3. 调用模块和 vnode 上的 update 钩子。

4. 如果没有定义 vnode.text，则处理 children 的几种情况：

   1. 如果 oldVnode.children 和 vnode.children 均存在并且不相同。则调用 updateChildren 去更新。
   2. vnode.children 存在而 oldVnode.children 不存在。如果 oldVnode.text 存在则先清空，然后调用 addVnodes 去添加新的 vnode.children。
   3. vnode.children 不存在而 oldVnode.children 存在。调用 removeVnodes 移除 oldVnode.children。
   4. 如果 oldVnode.children 和 vnode.children 均不存在。如果 oldVnode.text 存在则清空。
5. 如果有定义 vnode.text并且与 oldVnode.text 不同。如果 oldVnode.children 存在则调用 removeVnodes 清除。然后通过 textContent 来设置文本内容。
6. 最后执行 vnode 上的 postpatch 钩子。

从过程可以看出，diff 中对于自身节点的相关属性的改变比如 class、style 之类的是依靠模块去更新的，这里不过多展开了大家有需要可以去看下模块相关的代码。diff 的主要核心处理是集中在 children 上，接下来康康 diff 处理 children 的几个相关函数。

addVnodes()

这个很简单，先调用 createElm() 创建，然后插入到对应的 parent 中。

removeVnodes()

移除的时候会先调用 destory 和 remove 钩子，这里重点讲讲这两个钩子的调用逻辑和区别。

• destory，首先调用这个钩子。逻辑是先调用 vnode 对象上的这个钩子，再调用模块上的。然后对 vnode.children 也按照这个顺序递归调用这个钩子。
• remove，这个 hook 只有在当前元素从它的父级中删除才会触发，被移除的元素中的子元素则不会触发，并且模块和 vnode 对象上的这个钩子都会调用，顺序是先调用模块上的再调用 vnode 上的。而且比较特殊的是等待所有的 remove 都会调用后，元素才会真正被移除，这样做可以实现一些延迟删除的需求。

以上可以看出这两个钩子调用逻辑不同的地方，特别是 remove 只在直接脱离父级的元素上才会被调用。

updateChildren()

updateChildren() 是用来处理子节点 diff 的，也是 Snabbdom 中比较复杂的一个函数。总的思想是对 oldCh 和 newCh 各设置头、尾一共四个指针，这四个指针分别是 oldStartIdx、oldEndIdx、newStartIdx 和 newEndIdx。然后在 while (oldStartIdx <= oldEndIdx && newStartIdx <= newEndIdx) 循环中对两个数组进行对比，找到相同的部分进行复用更新，并且每次比较处理最多移动一对指针。详细的遍历过程按以下顺序处理：

1. 如果这四个指针有任何一个指向的 vnode == null，则这个指针往中间移动，比如：start++ 或 end--，null 的产生在后面情况有说明。
2. 如果新旧开始节点相同，也就是 sameVnode(oldStartVnode, newStartVnode) 返回 true，则用 patchVnode() 执行 diff，并且两个开始节点都向中间前进一步。
3. 如果新旧结束节点相同，也采用 patchVnode() 处理，两个结束节点向中间后退一步。
4. 如果旧开始节点与新结束节点相同，先用 patchVnode() 处理更新。然后需要移动 oldStart 对应的 DOM 节点，移动的策略是移动到 oldEndVnode 对应 DOM 节点的下一个兄弟节点之前。为什么是这样移动呢？首先，oldStart 与 newEnd 相同，说明在当前循环处理中，老数组的开始节点是往右移动了；因为每次的处理都是首尾指针往中间移动，我们是把老数组更新成新的，这个时候 oldEnd 可能还没处理，但这个时候 oldStart 已确定在新数组的当前处理中是最后一个了，所以移动到 oldEnd 的下一个兄弟节点之前是合理的。移动完毕后，oldStart++，newEnd--，分别向各自的数组中间移动一步。
5. 如果旧结束节点与新开始节点相同，也是先用 patchVnode() 处理更新，然后把 oldEnd 对应的 DOM 节点移动 oldStartVnode 对应的 DOM 节点之前，移动理由同上一步一样。移动完毕后，oldEnd--，newStart++。

6. 如果以上情况都不是，则通过 newStartVnode 的 key 去找在 oldChildren 的下标 idx，根据下标是否存在有两种不同的处理逻辑：

   1. 如果下标不存在，说明 newStartVnode 是新创建的。通过 createElm() 创建新的 DOM，并插入到 oldStartVnode 对应的 DOM 之前。

   2. 如果下标存在，也要分两种情况处理：

      1. 如果两个 vnode 的 sel 不同，也还是当做新创建的，通过 createElm() 创建新的 DOM，并插入到 oldStartVnode 对应的 DOM 之前。
      2. 如果 sel 是相同的，则通过 patchVnode() 处理更新，并把 oldChildren 对应下标的 vnode 设置为 undefined，这也是前面双指针遍历中为什么会出现 == null 的原因。然后把更新完毕后的节点插入到 oldStartVnode 对应的 DOM 之前。
   3. 以上操作完后，newStart++。

遍历结束后，还有两种情况要处理。一种是 oldCh 已经全部处理完成，而 newCh 中还有新的节点，需要对 newCh 剩下的每个都创建新的 DOM；另一种是 newCh 全部处理完成，而 oldCh 中还有旧的节点，需要将多余的节点移除。这两种情况的处理在 如下：

  function updateChildren(
    parentElm: Node,
    oldCh: VNode[],
    newCh: VNode[],
    insertedVnodeQueue: VNodeQueue
  ) { 
    // 双指针遍历过程。
    // ...
      
    // newCh 中还有新的节点需要创建。
    if (newStartIdx <= newEndIdx) {
      // 需要插入到最后一个处理好的 newEndIdx 之前。
      before = newCh[newEndIdx + 1] == null ? null : newCh[newEndIdx + 1].elm;
      addVnodes(
        parentElm,
        before,
        newCh,
        newStartIdx,
        newEndIdx,
        insertedVnodeQueue
      );
    }
      
    // oldCh 中还有旧的节点要移除。
    if (oldStartIdx <= oldEndIdx) {
      removeVnodes(parentElm, oldCh, oldStartIdx, oldEndIdx);
    }
  }

我们用一个实际例子来看一下 updateChildren() 的处理过程：

1. 初始状态如下，旧子节点数组为 [A, B, C]，新节点数组为 [B, A, C, D]：

2. 第一轮比较，开始和结束节点都不一样，于是看 newStartVnode 在旧节点中是否存在，找到了在 oldCh[1] 这个位置，那么先执行 patchVnode() 进行更新，然后把 oldCh[1] = undefined，并把 DOM 插入到 oldStartVnode 之前，newStartIdx 向后移动一步，处理完后状态如下：

3. 第二轮比较，oldStartVnode 和 newStartVnode 相同，执行 patchVnode() 更新，oldStartIdx 和 newStartIdx 向中间移动，处理完后状态如下：

4. 第三轮比较，oldStartVnode == null，oldStartIdx 向中间移动，状态更新如下：

5. 第四轮比较，oldStartVnode 和 newStartVnode 相同，执行 patchVnode() 更新，oldStartIdx 和 newStartIdx 向中间移动，处理完后状态如下：

6. 此时 oldStartIdx 大于 oldEndIdx，循环结束。此时 newCh 中还有没处理完的新节点，需要调用 addVnodes() 插入，最终状态如下：

总结

到这里虚拟 DOM 的工作原理和核心内容已经梳理完毕了， 大家有空可以去康康 Snabbdom 源码的细节再细品下，其中的设计思想和实现很值得学习。
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