如何理解虚拟DOM?

1.为什么需要虚拟DOM

DOM是很慢的，其元素非常庞大，页面的性能问题鲜有由JS引起的，大部分都是由DOM操作引起的。如果对前端工作进行抽象的话，主要就是维护状态和更新视图；而更新视图和维护状态都需要DOM操作。其实近年来，前端的框架主要发展方向就是解放DOM操作的复杂性。

在jQuery出现以前，我们直接操作DOM结构，这种方法复杂度高，兼容性也较差；有了jQuery强大的选择器以及高度封装的API，我们可以更方便的操作DOM，jQuery帮我们处理兼容性问题，同时也使DOM操作变得简单；但是聪明的程序员不可能满足于此，各种MVVM框架应运而生，有angularJS、avalon、vue.js等，MVVM使用数据双向绑定，使得我们完全不需要操作DOM了，更新了状态视图会自动更新，更新了视图数据状态也会自动更新，可以说MMVM使得前端的开发效率大幅提升，但是其大量的事件绑定使得其在复杂场景下的执行性能堪忧；有没有一种兼顾开发效率和执行效率的方案呢？ReactJS就是一种不错的方案，虽然其将JS代码和HTML代码混合在一起的设计有不少争议，但是其引入的Virtual
DOM(虚拟DOM)却是得到大家的一致认同的。

2.理解虚拟DOM

相对于 DOM 对象，原生的 JavaScript 对象处理起来更快，而且更简单。DOM 树上的结构、属性信息我们都可以很容易地用 JavaScript 对象表示出来：

var element = {
tagName: 'ul', // 节点标签名
props: { // DOM的属性，用一个对象存储键值对
id: 'list'
},
children: [ // 该节点的子节点
{tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 1"]},
{tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 2"]},
{tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 3"]},
]
}

上面对应的HTML写法是：

<ul id='list'>
<li class='item'>Item 1</li>
<li class='item'>Item 2</li>
<li class='item'>Item 3</li>
</ul>

既然原来 DOM 树的信息都可以用 JavaScript 对象来表示，反过来，你就可以根据这个用 JavaScript 对象表示的树结构来构建一棵真正的DOM树。

之前的章节所说的，状态变更->重新渲染整个视图的方式可以稍微修改一下：用 JavaScript 对象表示 DOM 信息和结构，当状态变更的时候，重新渲染这个 JavaScript 的对象结构。当然这样做其实没什么卵用，因为真正的页面其实没有改变。

但是可以用新渲染的对象树去和旧的树进行对比，记录这两棵树差异。记录下来的不同就是我们需要对页面真正的 DOM 操作，然后把它们应用在真正的 DOM 树上，页面就变更了。这样就可以做到：视图的结构确实是整个全新渲染了，但是最后操作DOM的时候确实只变更有不同的地方。

这就是所谓的 Virtual DOM 算法。包括几个步骤：

用 JavaScript 对象结构表示 DOM 树的结构；然后用这个树构建一个真正的 DOM 树，插到文档当中
当状态变更的时候，重新构造一棵新的对象树。然后用新的树和旧的树进行比较，记录两棵树差异
把2所记录的差异应用到步骤1所构建的真正的DOM树上，视图就更新了

Virtual DOM 本质上就是在 JS 和 DOM 之间做了一个缓存。可以类比 CPU 和硬盘，既然硬盘这么慢，我们就在它们之间加个缓存：既然 DOM 这么慢，我们就在它们 JS 和 DOM 之间加个缓存。CPU（JS）只操作内存（Virtual DOM），最后的时候再把变更写入硬盘（DOM）。

3 算法实现

3.1 步骤一：用JS对象模拟DOM树

用 JavaScript 来表示一个 DOM 节点是很简单的事情，你只需要记录它的节点类型、属性，还有子节点：

element.js

function Element (tagName, props, children) {
this.tagName = tagName
this.props = props
this.children = children
}

module.exports = function (tagName, props, children) {
return new Element(tagName, props, children)
}

例如上面的 DOM 结构就可以简单的表示：

var el = require('./element')

var ul = el('ul', {id: 'list'}, [
el('li', {class: 'item'}, ['Item 1']),
el('li', {class: 'item'}, ['Item 2']),
el('li', {class: 'item'}, ['Item 3'])
])

现在ul只是一个 JavaScript 对象表示的 DOM 结构，页面上并没有这个结构。我们可以根据这个ul构建真正的<ul>：

Element.prototype.render = function () {
var el = document.createElement(this.tagName) // 根据tagName构建
var props = this.props

for (var propName in props) { // 设置节点的DOM属性
var propValue = props[propName]
el.setAttribute(propName, propValue)
}

var children = this.children || []

children.forEach(function (child) {
var childEl = (child instanceof Element)
? child.render() // 如果子节点也是虚拟DOM，递归构建DOM节点
: document.createTextNode(child) // 如果字符串，只构建文本节点
el.appendChild(childEl)
})

return el
}

render方法会根据tagName构建一个真正的DOM节点，然后设置这个节点的属性，最后递归地把自己的子节点也构建起来。所以只需要：

var ulRoot = ul.render()
document.body.appendChild(ulRoot)

上面的ulRoot是真正的DOM节点，把它塞入文档中，这样body里面就有了真正的<ul>的DOM结构：

<ul id='list'>
<li class='item'>Item 1</li>
<li class='item'>Item 2</li>
<li class='item'>Item 3</li>
</ul>

完整代码可见
element.js。

3.2 步骤二：比较两棵虚拟DOM树的差异

正如你所预料的，比较两棵DOM树的差异是 Virtual DOM 算法最核心的部分，这也是所谓的 Virtual DOM 的 diff 算法。两个树的完全的 diff 算法是一个时间复杂度为 O(n^3) 的问题。但是在前端当中，你很少会跨越层级地移动DOM元素。所以 Virtual DOM 只会对同一个层级的元素进行对比：



上面的div只会和同一层级的div对比，第二层级的只会跟第二层级对比。这样算法复杂度就可以达到 O(n)。

3.2.1 深度优先遍历，记录差异

在实际的代码中，会对新旧两棵树进行一个深度优先的遍历，这样每个节点都会有一个唯一的标记：



在深度优先遍历的时候，每遍历到一个节点就把该节点和新的的树进行对比。如果有差异的话就记录到一个对象里面。

// diff 函数，对比两棵树
function diff (oldTree, newTree) {
var index = 0 // 当前节点的标志
var patches = {} // 用来记录每个节点差异的对象
dfsWalk(oldTree, newTree, index, patches)
return patches
}

// 对两棵树进行深度优先遍历
function dfsWalk (oldNode, newNode, index, patches) {
// 对比oldNode和newNode的不同，记录下来
patches[index] = [...]

diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, patches)
}

// 遍历子节点
function diffChildren (oldChildren, newChildren, index, patches) {
var leftNode = null
var currentNodeIndex = index
oldChildren.forEach(function (child, i) {
var newChild = newChildren[i]
currentNodeIndex = (leftNode && leftNode.count) // 计算节点的标识
? currentNodeIndex + leftNode.count + 1
: currentNodeIndex + 1
dfsWalk(child, newChild, currentNodeIndex, patches) // 深度遍历子节点
leftNode = child
})
}

例如，上面的div和新的div有差异，当前的标记是0，那么：

patches[0] = [{difference}, {difference}, ...] // 用数组存储新旧节点的不同

同理p是patches[1]，ul是patches[3]，类推。

3.2.2 差异类型

上面说的节点的差异指的是什么呢？对 DOM 操作可能会：

替换掉原来的节点，例如把上面的div换成了section
移动、删除、新增子节点，例如上面div的子节点，把p和ul顺序互换
修改了节点的属性
对于文本节点，文本内容可能会改变。例如修改上面的文本节点2内容为Virtual DOM 2。

所以我们定义了几种差异类型：

var REPLACE = 0
var REORDER = 1
var PROPS = 2
var TEXT = 3

对于节点替换，很简单。判断新旧节点的tagName和是不是一样的，如果不一样的说明需要替换掉。如div换成section，就记录下：

patches[0] = [{
type: REPALCE,
node: newNode // el('section', props, children)
}]

如果给div新增了属性id为container，就记录下：

patches[0] = [{
type: REPALCE,
node: newNode // el('section', props, children)
}, {
type: PROPS,
props: {
id: "container"
}
}]

如果是文本节点，如上面的文本节点2，就记录下：

patches[2] = [{
type: TEXT,
content: "Virtual DOM2"
}]

那如果把我div的子节点重新排序呢？例如p, ul, div的顺序换成了div, p, ul。这个该怎么对比？如果按照同层级进行顺序对比的话，它们都会被替换掉。如p和div的tagName不同，p会被div所替代。最终，三个节点都会被替换，这样DOM开销就非常大。而实际上是不需要替换节点，而只需要经过节点移动就可以达到，我们只需知道怎么进行移动。

这牵涉到两个列表的对比算法，需要另外起一个小节来讨论。

3.2.3 列表对比算法

假设现在可以英文字母唯一地标识每一个子节点：

旧的节点顺序：

a b c d e f g h i

现在对节点进行了删除、插入、移动的操作。新增j节点，删除e节点，移动h节点：

新的节点顺序：

a b c h d f g i j

现在知道了新旧的顺序，求最小的插入、删除操作（移动可以看成是删除和插入操作的结合）。这个问题抽象出来其实是字符串的最小编辑距离问题（Edition
Distance），最常见的解决算法是Levenshtein
Distance，通过动态规划求解，时间复杂度为 O(M * N)。但是我们并不需要真的达到最小的操作，我们只需要优化一些比较常见的移动情况，牺牲一定DOM操作，让算法时间复杂度达到线性的（O(max(M, N))。具体算法细节比较多，这里不累述，有兴趣可以参考代码。

我们能够获取到某个父节点的子节点的操作，就可以记录下来：

patches[0] = [{
type: REORDER,
moves: [{remove or insert}, {remove or insert}, ...]
}]

但是要注意的是，因为tagName是可重复的，不能用这个来进行对比。所以需要给子节点加上唯一标识key，列表对比的时候，使用key进行对比，这样才能复用老的 DOM 树上的节点。

这样，我们就可以通过深度优先遍历两棵树，每层的节点进行对比，记录下每个节点的差异了。完整 diff 算法代码可见diff.js。

3.3 步骤三：把差异应用到真正的DOM树上

因为步骤一所构建的 JavaScript 对象树和render出来真正的DOM树的信息、结构是一样的。所以我们可以对那棵DOM树也进行深度优先的遍历，遍历的时候从步骤二生成的patches对象中找出当前遍历的节点差异，然后进行 DOM 操作。

function patch (node, patches) {
var walker = {index: 0}
dfsWalk(node, walker, patches)
}

function dfsWalk (node, walker, patches) {
var currentPatches = patches[walker.index] // 从patches拿出当前节点的差异

var len = node.childNodes
? node.childNodes.length
: 0
for (var i = 0; i < len; i++) { // 深度遍历子节点
var child = node.childNodes[i]
walker.index++
dfsWalk(child, walker, patches)
}

if (currentPatches) {
applyPatches(node, currentPatches) // 对当前节点进行DOM操作
}
}

applyPatches，根据不同类型的差异对当前节点进行 DOM 操作：

function applyPatches (node, currentPatches) {
currentPatches.forEach(function (currentPatch) {
switch (currentPatch.type) {
case REPLACE:
node.parentNode.replaceChild(currentPatch.node.render(), node)
break
case REORDER:
reorderChildren(node, currentPatch.moves)
break
case PROPS:
setProps(node, currentPatch.props)
break
case TEXT:
node.textContent = currentPatch.content
break
default:
throw new Error('Unknown patch type ' + currentPatch.type)
}
})
}

完整代码可见
patch.js。

4 结语

Virtual DOM 算法主要是实现上面步骤的三个函数：element，diff，patch。然后就可以实际的进行使用：

// 1. 构建虚拟DOM
var tree = el('div', {'id': 'container'}, [
el('h1', {style: 'color: blue'}, ['simple virtal dom']),
el('p', ['Hello, virtual-dom']),
el('ul', [el('li')])
])

// 2. 通过虚拟DOM构建真正的DOM
var root = tree.render()
document.body.appendChild(root)

// 3. 生成新的虚拟DOM
var newTree = el('div', {'id': 'container'}, [
el('h1', {style: 'color: red'}, ['simple virtal dom']),
el('p', ['Hello, virtual-dom']),
el('ul', [el('li'), el('li')])
])

// 4. 比较两棵虚拟DOM树的不同
var patches = diff(tree, newTree)

// 5. 在真正的DOM元素上应用变更
patch(root, patches)

当然这是非常粗糙的实践，实际中还需要处理事件监听等；生成虚拟 DOM 的时候也可以加入 JSX 语法。这些事情都做了的话，就可以构造一个简单的ReactJS了。

本文所实现的完整代码存放在
Github，仅供学习。

参考链接：https://www.zhihu.com/question/29504639?sort=created

http://www.ituring.com.cn/article/211352