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【前端技术】大前端进阶-Vuejs响应式原理剖析

像React,Vue这类的框架,响应式是其最核心的特性之一。通过响应式可以实现当改变数据的时候,视图会自动变化,反之,视图变化,数据也随之更新。避免了繁琐的dom操作,让开发者在开发的时候只需要关注数据本身,而不需要关注数据如何渲染到视图。

实现原理

2.x

在vue2.0中通过Object.defineProperty方法实现数据拦截,也就是为每个属性添加get和set方法,当获取属性值和修改属性值的时候会触发get和set方法。

let vue = {}
let data = {
    msg: 'foo'
}

Object.defineProperty(vue, 'msg', {
    enumerable: true,
    configurable: true,
    get() {
        console.log('正在获取msg属性对应的值')
        return data.msg
    },
    set(newValue) {
        if(newValue === data.msg) {
            return 
        }
        console.log('正在为msg属性赋值')
        data.msg = newValue
    }
})

console.log(vue.msg)
vue.msg = 'bar'

Object.defineProperty添加的数据拦截在针对数组的时候会出现问题,也就是当属性值为一个数组的时候,如果进行push,shift等操作的时候,虽然修改了数组,但不会触发set拦截。

为了解决这个问题,vue在内部重写了原生的数组操作方法,以支持响应式。

3.x

在vue3.0版本中使用ES6新增的Proxy对象替换了Object.defineProperty,不仅简化了添加拦截的语法,同时也可以支持数组。

let data = {
    msg: 'foo'
}

let vue = new Proxy(data, {
    get(target, key) {
        console.log('正在获取msg属性对应的值')
        return target[key]
    },
    set(target, key, newValue) {
        if(newValue === target[key]) {
            return 
        }

        console.log('正在为msg属性赋值')
        target[key] = newValue
    }
})

console.log(vue.msg)
vue.msg = 'bar'

依赖的开发模式

在vue实现响应式的代码中,使用了观察者模式。

观察者模式

观察者模式中,包含两个部分:

  • 观察者watcher

观察者包含一个update方法,此方法表示当事件发生变化的时候需要做的事情

class Watcher {
    update() {
        console.log('执行操作')
    }
}
  • 目标dep

目标包含一个属性和两个方法:

  1. subs属性:用于存储所有注册的观察者。
  2. addSub方法: 用于添加观察者。
  3. notify方法: 当事件变化的时候,用于轮询subs中所有的观察者,并执行其update方法。
class Dep {
    constructor() {
        this.subs = []
    }

    addSub(watcher) {
        if (watcher.update) {
            this.subs.push(watcher)
        }
    }

    notify() {
        this.subs.forEach(watcher => {
            watcher.update()
        })
    }
}
  • 使用方式
// 创建观察者和目标对象
const w = new Watcher()
const d = new Dep()
// 添加观察者
d.addSub(w)
// 触发变化
d.notify()

发布订阅模式

与观察者模式很相似的是发布订阅模式,该模式包含三个方面:

  • 订阅者

订阅者类似观察者模式中的观察者,当事件发生变化的时候,订阅者会执行相应的操作。

  • 发布者

发布者类似观察者模式中的目标,其用于发布变化。

  • 事件中心

在事件中心中存储着事件对应的所有订阅者,当发布者发布事件变化后,事件中心会通知所有的订阅者执行相应操作。

与观察者模式相比,发布订阅模式多了一个事件中心,其作用是隔离订阅者和发布者之间的依赖。

image.png

vue中的on和emit就是实现的发布订阅模式,因为其和响应式原理关系不大,所以此处不再详细说明。

自实现简版vue

简化版的vue核心包含5大类,如下图:

image.png

通过实现这5大类,就可以一窥Vue内部如何实现响应式。

vue

vue是框架的入口,负责存储用户变量、添加数据拦截,启动模版编译。

Vue类:

  • 属性

$options 存储初始化Vue实例时传递的参数
$data 存储响应式数据
$methods 存储传入的所有函数
$el 编译的模版节点

  • 方法

_proxyData 私有方法,负责将data中所有属性添加到Vue实例上。

_proxyMethods 私有方法,遍历传入的函数,将非声明周期函数添加到Vue实例上。

directive 静态方法,用于向Vue注入指令。

  • 实现
// 所有声明周期方法名称
const hooks = ['beforeCreate', 'created', 'beforeMount', 'mounted',
    'beforeUpdate', 'updated', 'activated', 'deactivated', 'beforeDestroy', 'destroyed']

class Vue {
    constructor(options) {
        this.$options = Object.assign(Vue.options || {}, options || {})
        this.$data = options.data || {}
        this.$methods = options.methods || {}
        if (options && options.el) {
            this.$el = typeof options.el === 'string' ? document.querySelector(options.el) : options.el
        }
        this._proxyData(this.$data)
        this._proxyMethods(this.$methods)
        // 实现数据拦截
        // 启动模版编译
    }

    _proxyMethods(methods) {
        let obj = {}
        Object.keys(methods).forEach(key => {
            if (hooks.indexOf(key) === -1 && typeof methods[key] === 'function') {
                obj[key] = methods[key].bind(this)
            }
        })

        this._proxyData(obj)
    }

    _proxyData(data) {
        Object.keys(data).forEach(key => {
            Object.defineProperty(this, key, {
                enumerable: true,
                configurable: true,
                get() {
                    return data[key]
                },
                set(newValue) {
                    // 数据未发生任何变化,不需要处理
                    if (newValue === data[key]) {
                        return
                    }
                    data[key] = newValue
                }
            })
        })
    }

    // 用于注册指令的方法
    static directive(name, handle) {
        if (!Vue.options) {
            Vue.options = {
                directives: {}
            }
        }

        Vue.options.directives[name] = {
            bind: handle,
            update: handle
        }
    }
}

observer

observer类负责为data对象添加数据拦截。

  • 方法

walk 轮询对象属性,调用defineReactive方法为每个属性添加setter和getter。
defineReactive 添加setter和getter。

  • 实现
class Observer {
    constructor(data) {
        this.walk(data)
    }

    // 轮询对象
    walk(data) {
        // 只有data为object对象时,才轮询其属性
        if (data && typeof data === 'object') {
            Object.keys(data).forEach(key => {
                this.defineReactive(data, key, data[key])
            })
        }
    }

    // 添加拦截
    defineReactive(data, key, val) {
        const that = this
        // 如果val是一个对象,为对象的每一个属性添加拦截
        this.walk(val)
        Object.defineProperty(data, key, {
            enumerable: true,
            configurable: true,
            get() {
                return val
            },
            set(newValue) {
                if (val === newValue) {
                    return
                }
                // 如果赋值为一个对象,为对象的每一个属性添加拦截
                that.walk(newValue)
                val = newValue
            }
        })
    }
}

在Vue的constructor构造函数中添加Observer:

constructor(options) {
        this.$options = Object.assign(Vue.options || {}, options || {})
        this.$data = options.data || {}
        this.$methods = options.methods || {}
        if (options && options.el) {
            this.$el = typeof options.el === 'string' ? document.querySelector(options.el) : options.el
        }
        this._proxyData(this.$data)
        this._proxyMethods(this.$methods)
        // 实现数据拦截
        new Observer(this.$data)
        // 启动模版编译
        new Compiler(this)
}

directive

由于在compiler编译模版的时候,需要用到指令解析,所以此处模拟一个指令初始化方法,用于向vue实例添加内置指令。

在此处模拟实现了四个指令:

// v-text
Vue.directive('text', function (el, binding) {
    const { value } = binding
    el.textContent = value
})

// v-model
Vue.directive('model', function (el, binding) {
    const { value, expression } = binding
    el.value = value
    // 实现双向绑定
    el.addEventListener('input', () => {
        el.vm[expression] = el.value
    })
})

// v-html
Vue.directive('html', function (el, binding) {
    const { value } = binding
    el.innerHTML = value
})

// v-on
Vue.directive('on', function (el, binding) {
    const { value, argument } = binding

    el.addEventListener(argument, value)
})

compiler

compiler负责html模版编译,解析模版中的插值表达式和指令等。

  • 属性

el 保存编译的目标元素
vm 保存编译时用到的vue上下文信息。

  • 方法

compile 负责具体的html编译。

  • 实现
class Compiler {
    constructor(vm) {
        this.vm = vm
        this.el = vm.$el

        // 构造函数中执行编译
        this.compile(this.el)
    }

    compile(el) {
        if (!el) {
            return
        }
        const children = el.childNodes
        Array.from(children).forEach(node => {
            if (this.isElementNode(node)) {
                this.compileElement(node)
            } else if (this.isTextNode(node)) {
                this.compileText(node)
            }

            // 递归处理node下面的子节点
            if (node.childNodes && node.childNodes.length) {
                this.compile(node)
            }
        })
    }

    compileElement(node) {
        const directives = this.vm.$options.directives
        Array.from(node.attributes).forEach(attr => {
            // 判断是否是指令
            let attrName = attr.name
            if (this.isDirective(attrName)) {
                // v-text --> text
                // 获取指令的相关数据
                let attrNames = attrName.substr(2).split(':')
                let name = attrNames[0]
                let arg = attrNames[1]
                let key = attr.value

                // 获取注册的指令并执行
                if (directives[name]) {
                    node.vm = this.vm
                    // 执行指令绑定
                    directives[name].bind(node, {
                        name: name,
                        value: this.vm[key],
                        argument: arg,
                        expression: key
                    })
                }
            }
        })
    }

    compileText(node) {
        // 利用正则表达式匹配插值表达式
        let reg = /\{\{(.+?)\}\}/
        const value = node.textContent
        if (reg.test(value)) {
            let key = RegExp.$1.trim()
            node.textContent = value.replace(reg, this.vm[key])
        }
    }

    // 判断元素属性是否是指令,简化vue原来逻辑,现在默认只有v-开头的属性是指令
    isDirective(attrName) {
        return attrName.startsWith('v-')
    }
    // 判断节点是否是文本节点
    isTextNode(node) {
        return node.nodeType === 3
    }
    // 判断节点是否是元素节点
    isElementNode(node) {
        return node.nodeType === 1
    }
}

修改vue的构造函数,启动模版编译。

constructor(options) {
        this.$options = Object.assign(Vue.options || {}, options || {})
        this.$data = options.data || {}
        this.$methods = options.methods || {}
        if (options && options.el) {
            this.$el = typeof options.el === 'string' ? document.querySelector(options.el) : options.el
        }
        this._proxyData(this.$data)
        this._proxyMethods(this.$methods)
        // 实现数据拦截
        new Observer(this.$data)
        // 启动模版编译
        new Compiler(this)
}

dep

dep负责收集某个属性的所有观察者,当属性值发生变化的时候,会依次执行观察者的update方法。

  • 属性

subs 记录所有的观察者

  • 方法

addSub 添加观察者
notify 触发执行所有观察者的update方法

  • 实现
class Dep {
    constructor() {
        // 存储所有的观察者
        this.subs = []
    }
    // 添加观察者
    addSub(sub) {
        if (sub && sub.update) {
            this.subs.push(sub)
        }
    }
    // 发送通知
    notify() {
        this.subs.forEach(sub => {
            sub.update()
        })
    }
}

现在的问题是何时添加观察者,何时触发更新?

image.png

从上图可以看出,应该在Observer中触发拦截的时候对Dep进行操作,也就是get的时候添加观察者,set时触发更新。

修改observer的defineReactive方法:

defineReactive(data, key, val) {
        const that = this
        // 创建dep对象
        const dep = new Dep()
        // 如果val是一个对象,为对象的每一个属性添加拦截
        this.walk(val)
        Object.defineProperty(data, key, {
            enumerable: true,
            configurable: true,
            get() {
                // 添加依赖
                // 在watcher中,获取属性值的时候,会把相应的观察者添加到Dep.target属性上
                Dep.target && dep.addSub(Dep.target)
                return val
            },
            set(newValue) {
                if (val === newValue) {
                    return
                }
                // 如果赋值为一个对象,为对象的每一个属性添加拦截
                that.walk(newValue)
                val = newValue
                // 触发更新
                dep.notify()
            }
        })
}

watcher

watcher是观察者对象,在vue对象的属性发生变化的时候执行相应的更新操作。

  • 方法

update 执行具体的更新操作

  • 实现
class Watcher {
    // vm: vue实例
    // key: 监控的属性键值
    // cb: 回调函数,执行具体更新
    constructor(vm, key, cb) {
        this.vm = vm
        this.key = key
        this.cb = cb

        // 指定在这个执行环境下的watcher实例
        Dep.target = this
        // 获取旧的数据,触发get方法中Dep.addSub
        this.oldValue = vm[key]
        // 删除target,等待下一次赋值
        Dep.target = null
    }

    update() {
        let newValue = this.vm[this.key]
        if (this.oldValue === newValue) {
            return
        }
        this.cb(newValue)
        this.oldValue = newValue
    }
}

由于需要数据双向绑定,在compiler编译模版的时候,创建Watcher实例,并指定具体如何更新页面。

compileElement(node) {
        const directives = this.vm.$options.directives
        Array.from(node.attributes).forEach(attr => {
            // 判断是否是指令
            let attrName = attr.name
            if (this.isDirective(attrName)) {
                // v-text --> text
                // 获取指令的相关数据
                let attrNames = attrName.substr(2).split(':')
                let name = attrNames[0]
                let arg = attrNames[1]
                let key = attr.value

                // 获取注册的指令并执行
                if (directives[name]) {
                    node.vm = this.vm
                    // 执行指令绑定
                    directives[name].bind(node, {
                        name: name,
                        value: this.vm[key],
                        argument: arg,
                        expression: key
                    })

                    new Watcher(this.vm, key, () => {
                        directives[name].update(node, {
                            name: name,
                            value: this.vm[key],
                            argument: arg,
                            expression: key
                        })
                    })
                }
            }
        })
    }

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