一、前言

目前最流行的两大前端框架，React 和 Vue，都不约而同的借助 Virtual DOM 技术提高页面的渲染效率。那么，什么是 Virtual DOM ？它是通过什么方式去提升页面渲染效率的呢？本系列文章会详细讲解 Virtual DOM 的创建过程，并实现一个简单的 Diff 算法来更新页面。本文的内容脱离于任何的前端框架，只讲最纯粹的 Virtual DOM 。敲单词太累了，下文 Virtual DOM 一律用 VD 表示。

这是 VD 系列文章的第二篇，本文将会实现一个简单的 VD Diff 算法，计算出差异并反映到真实的 DOM 上去。

二、思路

使用 VD 的框架，一般的设计思路都是页面等于页面状态的映射，即 UI=render(state)。当需要更新页面的时候，无需关心 DOM 具体的变换方式，只需要改变 state即可，剩下的事情（ render）将由框架代劳。我们考虑最简单的情况，当 state 发生变化时，我们重新生成整个 VD ，触发比较的操作。上述过程分为以下四步：

state 变化，生成新的 VD
比较 VD 与之前 VD 的异同
生成差异对象（ patch）
遍历差异对象并更新 DOM 差异对象的数据结构是下面这个样子，与每一个 VDOM 元素一一对应：

{
  type,
  vdom,
  props: [{
        type,
        key,
        value 
      }]
  children
}

最外层的 type 对应的是 DOM 元素的变化类型，有 4 种：新建、删除、替换和更新。props 变化的 type 只有2种：更新和删除。枚举值如下：

const nodePatchTypes = {
  CREATE: 'create node',
  REMOVE: 'remove node',
  REPLACE: 'replace node',
  UPDATE: 'update node'
}

const propPatchTypes = {
  REMOVE: 'remove prop',
  UPDATE: 'update prop'
}

三、代码实现

我们做一个定时器，500 毫秒运行一次，每次对 state 加 1。页面的 li元素的数量随着 state 而变。

let state = { num: 5 };
let timer;
let preVDom;

function render(element) {
  // 初始化的 VD
  const vdom = view();
  preVDom = vdom;

  const dom = createElement(vdom);
  element.appendChild(dom);


  timer = setInterval(() => {
    state.num += 1;
    tick(element);
  }, 500);
}

function tick(element) {
  if (state.num > 20) {
    clearTimeout(timer);
    return;
  }

  const newVDom = view();
}

function view() {
  return (
    <div>
      Hello World
      <ul>
        {
          // 生成元素为0到n-1的数组
          [...Array(state.num).keys()]
            .map( i => (
              <li id={i} class={`li-${i}`}>
                第{i * state.num}
              </li>
            ))
        }
      </ul>
    </div>
  );
}

接下来，通过对比 2 个 VD，生成差异对象。

function tick(element) {
  if (state.num > 20) {
    clearTimeout(timer);
    return;
  }

  const newVDom = view();

  // 生成差异对象
  const patchObj = diff(preVDom, newVDom);
}

function diff(oldVDom, newVDom) {
  // 新建 node
  if (oldVDom == undefined) {
    return {
      type: nodePatchTypes.CREATE,
      vdom: newVDom
    }
  }

  // 删除 node
  if (newVDom == undefined) {
    return {
      type: nodePatchTypes.REMOVE
    }
  }

  // 替换 node
  if (
    typeof oldVDom !== typeof newVDom ||
    ((typeof oldVDom === 'string' || typeof oldVDom === 'number') && oldVDom !== newVDom) ||
    oldVDom.tag !== newVDom.tag
  ) {
    return {
      type: nodePatchTypes.REPLACE,
      vdom: newVDom
    } 
  }

  // 更新 node
  if (oldVDom.tag) {
    // 比较 props 的变化
    const propsDiff = diffProps(oldVDom, newVDom);

    // 比较 children 的变化
    const childrenDiff = diffChildren(oldVDom, newVDom);

    // 如果 props 或者 children 有变化，才需要更新
    if (propsDiff.length > 0 || childrenDiff.some( patchObj => (patchObj !== undefined) )) {
      return {
        type: nodePatchTypes.UPDATE,
        props: propsDiff,
        children: childrenDiff
      }  
    }

  }
}

// 比较 props 的变化
function diffProps(oldVDom, newVDom) {
  const patches = [];

  const allProps = {...oldVDom.props, ...newVDom.props};

  // 获取新旧所有属性名后，再逐一判断新旧属性值
  Object.keys(allProps).forEach((key) => {
      const oldValue = oldVDom.props[key];
      const newValue = newVDom.props[key];

      // 删除属性
      if (newValue == undefined) {
        patches.push({
          type: propPatchTypes.REMOVE,
          key
        });
      } 
      // 更新属性
      else if (oldValue == undefined || oldValue !== newValue) {
        patches.push({
          type: propPatchTypes.UPDATE,
          key,
          value: newValue
        });
      }
    }
  )

  return patches;
}

// 比较 children 的变化
function diffChildren(oldVDom, newVDom) {
  const patches = [];

  // 获取子元素最大长度
  const childLength = Math.max(oldVDom.children.length, newVDom.children.length);

  // 遍历并diff子元素
  for (let i = 0; i < childLength; i++) {
    patches.push(diff(oldVDom.children[i], newVDom.children[i]));
  }

  return patches;
}

计算得出的差异对象是这个样子的：

{
  type: "update node",
  props: [],
  children: [
    null, 
    {
      type: "update node",
      props: [],
      children: [
        null, 
        {
          type: "update node",
          props: [],
          children: [
            null, 
            {
              type: "replace node",
              vdom: 6
            }
          ]
        }
      ]
    },
    {
      type: "create node",
      vdom: {
        tag: "li",
        props: {
          id: 5,
          class: "li-5"
        },
        children: ["第", 30]
      }
    }
  ]
}

下一步就是遍历差异对象并更新 DOM 了：

function tick(element) {
  if (state.num > 20) {
    clearTimeout(timer);
    return;
  }

  const newVDom = view();

  // 生成差异对象
  const patchObj = diff(preVDom, newVDom);

  preVDom = newVDom;

  // 给 DOM 打个补丁
  patch(element, patchObj);
}

// 给 DOM 打个补丁
function patch(parent, patchObj, index=0) {
  if (!patchObj) {
    return;
  }

  // 新建元素
  if (patchObj.type === nodePatchTypes.CREATE) {
    return parent.appendChild(createElement(patchObj.vdom));
  }

  const element = parent.childNodes[index];

  // 删除元素
  if (patchObj.type === nodePatchTypes.REMOVE) {
    return parent.removeChild(element);
  }

  // 替换元素
  if (patchObj.type === nodePatchTypes.REPLACE) {
    return parent.replaceChild(createElement(patchObj.vdom), element);
  }

  // 更新元素
  if (patchObj.type === nodePatchTypes.UPDATE) {
    const {props, children} = patchObj;

    // 更新属性
    patchProps(element, props);

    // 更新子元素
    children.forEach( (patchObj, i) => {
      // 更新子元素时，需要将子元素的序号传入
      patch(element, patchObj, i)
    });
  }
}

// 更新属性
function patchProps(element, props) {
  if (!props) {
    return;
  }

  props.forEach( patchObj => {
    // 删除属性
    if (patchObj.type === propPatchTypes.REMOVE) {
      element.removeAttribute(patchObj.key);
    } 
    // 更新或新建属性
    else if (patchObj.type === propPatchTypes.UPDATE) {
      element.setAttribute(patchObj.key, patchObj.value);
    }
  })
}

到此为止，整个更新的流程就执行完了。可以看到页面跟我们预期的一样，每 500 毫秒刷新一次，构造渲染树和绘制页面花的时间也非常少。

作为对比，如果我们在生成新的 VD 后，不经过比较，而是直接重新渲染整个 DOM 的时候，会怎样呢？我们修改一下代码：

function tick(element) {
  if (state.num > 20) {
    clearTimeout(timer);
    return;
  }

  const newVDom = view();
  newDom = createElement(newVDom);

  element.replaceChild(newDom, dom);

  dom = newDom;

  /*
  // 生成差异对象
  const patchObj = diff(preVDom, newVDom);

  preVDom = newVDom;

  // 给 DOM 打个补丁
  patch(element, patchObj);
  */
}

效果如下：

可以看到，构造渲染树（ Rendering）和绘制页面（ Painting）的时间要多一些。但另一方面花在 JS 计算（ Scripting）的时间要少一些，因为不需要比较节点的变化。如果算总时间的话，重新渲染整个 DOM 花费的时间反而更少，这是为什么呢？

其实原因很简单，因为我们的 DOM 树太简单了！节点很少，使用到的 css 也很少，所以构造渲染树和绘制页面就花不了多少时间。VD 真正的效果还是要在真实的项目中才体现得出来。

四、总结

本文详细介绍如何实现一个简单的 VD Diff 算法，再根据计算出的差异去更新真实的 DOM 。然后对性能做了一个简单的分析，得出使用 VD 在减少渲染时间的同时增加了 JS 计算时间的结论。基于当前这个版本的代码还能做怎样的优化呢，请期待下一篇的内容：《你不知道的Virtual DOM（三）：Virtual DOM 更新优化》

P.S: 想看完整代码见这里，如果有必要建一个仓库的话请留言给我：代码（https://gist.github.com/dickenslian/a0a8d41a88d566d86271de16cd7738f0）

创作场景

你不知道的 virtual DOM（二）：Virtual Dom 的更新