Vue响应式原理深入分析

时间:2023-02-03 volit_ 人气:0

1.响应式数据和副作用函数

（1）副作用函数

副作用函数就是会产生副作用的函数。

function effect() {
    document.body.innerText = 'hello world.'
}

当effect函数执行时，它会设置body的内容，而body是一个全局变量，除了effect函数外任何地方都可以访问到，也就是说effect函数的执行会对其他操作产生影响，即effect函数是一个副作用函数。

（2）响应式数据

const obj = { text: 'hello world.'};
function effect() {
    document.body.innerText = obj.text;
}
obj.text = 'text';

当 obj.text = 'text' 这条语句执行之后，我们期望 document.body.innerText 的值也能够随之修改，这就是通常意义上的响应式数据。

2.响应式数据的基本实现

上文中，对响应式数据进行描述的代码段，并未实现真正的响应式数据。而通过观察我们可以发现，要实现真正的响应式数据，我们需要对数据的读取和设置进行拦截。当有操作对响应式数据进行读取中，我们将其添加至一个依赖队列，当修改响应式数据的值时，将依赖队列中的操作依次取出，并执行。以下使用Proxy对该思路进行实现。

const bucket = new Set();
const data = { text: "hello world." };
const obj = new Proxy(data, {
  get(target, key) {
    bucket.add(effect);
    return target[key];
  },
  set(target, key, newVal) {
    target[key] = newVal;
    bucket.forEach((fn) => fn());
    return true;
  },
});
const body = {
  innerText: "",
};
function effect() {
  body.innerText = obj.text;
}
effect();
console.log(body.innerText); // hello world
obj.text = "text";
console.log(body.innerText); // text

但是，该实现仍然存在缺陷，比如说只能通过effect函数的名字实现依赖收集。

3.设计一个完善的响应式系统

（1）消除依赖收集的硬绑定

这里我们使用一个active变量来保存当前需要进行依赖收集的函数。

const bucket = new Set();
const data = { text: "hello world." };
let activeEffect; // 新增一个active变量
const obj = new Proxy(data, {
  get(target, key) {
    if (activeEffect) {
      bucket.add(activeEffect); // 添加active变量保存的函数
    }
    return target[key];
  },
  set(target, key, newVal) {
    target[key] = newVal;
    bucket.forEach((fn) => fn());
    return true;
  },
});
function effect(fn) {
  activeEffect = fn; // 将当前函数赋值给active变量
  fn();
}
const body = {
  innerText: "",
};
effect(() => {
  body.innerText = obj.text;
});
console.log(body.innerText); // hello world
obj.text = "text";
console.log(body.innerText); // text

但是该设计仍然存在很多问题，比如说，当访问一个obj对象上并不存在的属性假设为val时，逻辑上并没有存在对obj.val的访问，因此该操作不会产生任何响应，但实际上，当val的值被修改后，传入effect的匿名函数会再次执行。

（2）基于属性的依赖收集

上一个版本的响应式系统只能对拦截对象所有的get和set操作进行响应，并不能做到细粒度的控制。考虑针对属性进行依赖拦截，主要有三个角色，对象、属性和依赖方法。因此考虑修改bucket的结构，由原来的Set修改为WeakMap(target,Map(key,activeEffect));这样就可以针对属性进行细粒度的依赖收集了。

ps.使用WeakMap是因为WeakMap是对key的弱引用，不会影响垃圾回收机制的工作，当target对象不存在任何引用时，说明target对象已不被需要，这时target对象将会被垃圾回收。如果换成Map，即时target不存在任何引用，Map已然会保持对target的引用，容易造成内存泄露。

// bucket的数据结构修改为WeakMap
const bucket = new WeakMap();
const data = { text: "hello world." };
let activeEffect;
const obj = new Proxy(data, {
  get(target, key) {
    track(target, key);
    return target[key];
  },
  set(target, key, newVal) {
    target[key] = newVal;
    trigger(target, key);
  },
});
function track(target, key) {
  if (!activeEffect) {
    return;
  }
  let depsMap = bucket.get(target);
  if (!depsMap) {
    bucket.set(target, (depsMap = new Map()));
  }
  let deps = depsMap.get(key);
  if (!deps) {
    depsMap.set(key, (deps = new Set()));
  }
  deps.add(activeEffect);
}
function trigger(target, key) {
  const depsMap = bucket.get(target);
  if (!depsMap) return;
  const effects = depsMap.get(key);
  effects && effects.forEach((fn) => fn());
}
function effect(fn) {
  activeEffect = fn;
  fn();
}
const body = {
  innerText: "",
};
effect(() => {
  body.innerText = obj.text;
});
console.log(body.innerText); // hello world
obj.text = "text";
console.log(body.innerText); // text

（3）分支切换和cleanup

对于一段三元运算符 obj.flag? obj.text : 'text',我们所期望的结果是，当obj.flag的值为false时，不会对obj.text属性进行响应操作。如果是上面那段程序，当obj.flag的值为false时，操作obj.text仍然会进行相应操作，因为obj.text对应的依赖仍然存在。对此如果我们能够在每次的函数执行之前，将其从之前相关联的依赖集合中移除，就可以达到目的了。这里通过修改副作用函数来实现：

function effect(fn) {
  const effectFn = () => {
    // 在依赖函数执行之前，清除依赖函数之前的依赖项
    cleanup(effectFn);
    activeEffect = effectFn;
    fn();
  };
  // 给副作用函数添加一个deps数组用来收集和该副作用函数相关联的依赖
  effectFn.deps = [];
  effectFn();
}
// cleanup函数实现
function cleanup(effectFn) {
  for (let i = 0; i < effectFn.deps.length; i++) {
    const deps = effectFn.deps[i];
    deps.delete(effectFn);
  }
  effectFn.deps.length = 0;
}
function track(target, key) {
  if (!activeEffect) {
    return;
  }
  let depsMap = bucket.get(target);
  if (!depsMap) {
    bucket.set(target, (depsMap = new Map()));
  }
  let deps = depsMap.get(key);
  if (!deps) {
    depsMap.set(key, (deps = new Set()));
  }
  deps.add(activeEffect);
  activeEffect.deps.push(deps); // 在这里收集相关联的依赖
}
function trigger(target, key) {
  const depsMap = bucket.get(target);
  if (!depsMap) return;
  const effects = depsMap.get(key);
  const effectToRun = new Set(effects); // 这里需要创建一个新集合来遍历，因为foreach循环会对新加入序列的元素也执行遍历，若遍历直接原集合，会出现死循环。
  effectToRun.forEach((fn) => fn());
}

（4）嵌套effect

虽然我们已经解决了很多问题，但是作为响应式系统中比较常见的场景之一的嵌套，我们还不能实现。因为我们定义的activeEffect是一个变量，当嵌套操作时，无论怎样，最后activeEffect变量中存放的都是操作的最后一个副作用函数。这里，我们通过加入一个effect栈的方式，来给这套响应式系统添加嵌套功能。

// 定义一个effect栈
const effectStack = [];
function effect(fn) {
  const effectFn = () => {
    cleanup(effectFn);
    activeEffect = effectFn;
    effectStack.push(effectFn); // 在effect执行之前，放入栈中
    fn();
    effectStack.pop(); // 执行完毕立即弹出
    activeEffect = effectStack[effectStack.length - 1]; // activeEffect指向新的effect
  };
  effectFn.deps = [];
  effectFn();
}

（5）避免产生死循环

试看obj.val++这条语句，它实际上相当于obj.val = obj.val+1，也就是进行了一次读取操作和一次赋值操作，共两次操作。而若将该操作运行在我们前面的响应式系统中，它将会产生死循环，因为当我们进行了读取操作后，会立即进行赋值操作，而在赋值操作中，读取操作再次被触发，然后循环的执行这一系列操作。这里我们在trigger函数中判断trigger触发的副作用函数，是否与当前正在执行的副作用函数相同，若相同，则不执行当前副作用函数。这样就能避免无限递归调用，避免内存溢出。

function trigger(target, key) {
  const depsMap = bucket.get(target);
  if (!depsMap) return;
  const effects = depsMap.get(key);
  const effectToRun = new Set();
  effects &&
    effects.forEach((fn) => {
      // 若正在执行的副作用函数与当前触发的副作用函数相同，则不执行
      if (fn !== activeEffect) {
        effectToRun.add(fn);  
      }
    });
  effectToRun.forEach((fn) => fn());
}

（6）实现调度实行

现在要实现一个这样的效果：

effect(()=> {
    console.log(obj.val);
});
obj.val ++;
console.log("结束");

// 这段代码本来会输出的结果是:
/**
   1
   2
   结束
**/
// 现在我们想让它变成
/**
    1
    结束
    2
**/

这里我们可以通过给effect函数添加一个配置项来实现：

effect(
  ()=> {
    console.log(obj.val);
  },
  {
      scheduler(fn) {
          setTimeout(fn);
      }
  }
function effect(fn,options = {}) {
    const effectFn = ()=> {
       ...
    }
    effectFn.deps = [];
    effectFn.options = options; // 为副作用函数添加配置项
    effectFn();
}
function trigger(target, key) {
  const depsMap = bucket.get(target);
  if (!depsMap) return;
  const effects = depsMap.get(key);
  const effectToRun = new Set();
  effects &&
    effects.forEach((fn) => {
      if (fn !== activeEffect) {
        effectToRun.add(fn);
      }
    });
  effectToRun.forEach((fn) => {
    // 若当前依赖函数含有调度执行，将当前函数传递给调度函数执行
    if (fn.options.scheduler) {
      fn.options.scheduler(fn); //将当前函数传递给调度函数
    } else {
      fn();
    }
  });
}

如果还要实现一下效果：

effect(()=> {
    console.log(obj.val);
});
obj.val ++;
obj.val ++;
// 这段代码本来会输出的结果是:
/**
	1
	2
	3
 **/
// 现在我们想让它变成
/**
 	1
 	3
 **/

这里通过添加一个任务执行队列来实现：

const jobQueue = new Set();
const p = Promise.resolve(); 
let isFlushing = false;
effect(
    ()=> {
        console.log(obj.val);
    },
    {
        scheduler(fn){
            jobQueue.add(fn);
            flushJob();
        }
    }
);
function flushJob() {
    if(isFlushing) return;
    isFlushing = true;
    p.then(()=> {
        jobQueue.forEach(job=>job());
    }).finally(()=> {
        isFlushing = false;
    })
}

像这样，由于Set保证了任务的唯一性，也就是jobQueue中只会保存唯一的一个任务，即当前执行的任务。而isFlushing标记则保证任务只会执行一次。而因为通过Promise将任务添加到了微任务队列中，当任务最后执行的时候，obj.val的值已经是3了。

（7）computed和lazy

计算属性是vue中一个比较有特色的属性，它会缓存表达式的计算结果，只有当表达式依赖的变量发生变化时，它才会进行重新计算。实现计算属性的前提是实现懒加载标记，这里我们可以通过之前effect函数的配置项来实现。

effect(
	()=> {
        return ()=>obj.val * 2;
    },
    {
        lazy: true; // 设置 lazy 标记
    }
);
effect(fn, options = {}) {
  const effectFn = () => {
    cleanup(effectFn);
    activeEffect = effectFn;
    effectStack.push(effectFn);
    const res = fn();
    effectStack.pop();
    activeEffect = effectStack[effectStack.length - 1];
    return res;
  };
  effectFn.deps = [];
  effectFn.options = options;
  if (!effectFn.options.lazy) { // 若副作用函数持有lazy标记，则直接将副作用函数返回
    effectFn();
  }
  return effectFn;
}

通过上面对lazy标记的设置，现在可以实现下面的效果：

const effectFn = effect(
	()=> {
        return ()=>obj.val * 2;
    },
    {
        lazy: true; // 设置 lazy 标记
    }
)();
console.log(effectFn); // 2

在此基础上，我们来实现computed

function computed(getter) {
    let value;
    let dirty = false;
    const effectFn = effect(getter, {
        lazy: true,
        scheduler(){
        	if(!dirty) {
                dirty = true;
                tirgger(obj, 'value');
            }
    	}
    });
    const obj = {
        get value() {
            if(!dirty) {
                value = effectFn();
                dirty = true;
            }
            track(target, 'value');
            return value;
        }
    };
    return obj;
}

（8）watch

想要实现watch，其实只需要添加一个scheduler()，像是这样:

effect(
	()=> {
        consoloe.log(obj.val);
    },
    {
        scheduler() {
            console.log("数值发生了变化");
        }
    }
)

就可以实现一个基本的watch效果，现在来编写一个功能完整的watch函数

function watch(source, cb) {
    let getter;
    if(typeof source === "function") { //若传入()=> obj.val，则直接使用该匿名函数
        getter = source;
    } else {
        getter = traverse(source); // 否则递归遍历该对象的所有属性，从而达到监听所有属性的目的
    }
    let oldValue, newValue; // 保存新旧值
    const effectFn = effect(getter, {
        lazy: true,
        scheduler() {
            newValue = effectFn(); // 获取新值
            cb(oldValue, newValue);
            oldValue = newValue; // 函数执行完后，更新旧值。
        }
    });
    oldValue = effectFn(); // 获取初始旧值
}
function traverse(value, seen = new Set()) {
    if(typeof value !== 'object' || value !== null || seen.has(value)) return ;
    seen.add(value);
    for(const k in seen) {
        traverse(seen[k],seen);
    }
}

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