Vue3响应式系统实现原理(一)

根据VueJs核心团队成员霍春阳《Vue.js设计与实现》第四章整理

1. 响应式数据与副作用函数

1.1 副作用函数

会产生副作用的函数。

如下示例所示:

 function effect () {
document.body.innerText = 'hello vue3!'
}

当effect函数执行时,会设置body的文本内容。但是,除了effect函数之外的任何函数都可以读取或者设置body的文本内容。也就是说,effect函数的执行,会直接或间接影响其他函数的执行,这时,我们说effect函数产生了副作用。

 // 此方法的结果就受effect函数的影响
function getInnerText () {
return document.body.innerText
}

副作用很容易产生,例如一个函数修改了全局变量,这其实也是一个副作用,如下面代码所示:

 let globalValue = 1
function effect () {
globalValue = 3 // 修改全局变量,产生副作用
}

1.2 响应式数据

理解了什么是副作用函数,再来说一说什么是响应式数据。

假设在一个副作用函数中读取了某个对象的属性:

 const obj = {
text: 'hello vue2'
}
function effect () {
document.body.innerText = obj.text // effect 函数的执行会读取obj.text
}

如上面代码所示,副作用函数effect会设置body元素的innerText属性,其值为obj.text。当obj.text的值改变时,我们希望副作用函数effect()会重新执行:

 obj.text = 'hello vue3' // 修改obj.text的值,同时希望副作用函数重新执行 

这句代码修改了字段 obj.text 的值,我们希望当值变化后,副作用函数会重新执行,如果能实现这个目标,那么对象 obj 就是响应式数据。( 某数据改变时,依赖该数据的副作用函数会重新执行,该数据即为响应式数据

但是,从上面代码来看,我们还做不到这一点,因为obj是一个普通的对象,当我们修改它的值时,除了值本身发生变化外,不会有任何其他反应。

2. 响应式数据的基本实现

2.1 如何让 obj 变为响应式数据?

通过观察,我们可以发现 2 点线索:

  • 当副作用函数effect()执行时,会触发字段 obj.text 的 读取 操作;
  • 当修改
    obj.text
    的值时,会触发字段
    obj.text
    设置 操作;

​ 如果我们能拦截一个对象的 读取设置 操作,事情就变得简单了。

  • 当读取
    obj.text
    时,我们可以把副作用函数effect()存储到一个“桶”里;

image-20220627151018125

  • 当设置
    obj.text
    时,再把effect()副作用函数从 “桶” 里取出,并执行;

image-20220627151637370

2.2 如何拦截对象属性的读取和设置操作

在 es5 及之前,只能通过

Obj.defineProperty
来实现,这也是vue2中所采用的方式。

es6以后,可以使用代理对象

Proxy
来实现,这是vue3中的所采用的方式。

实现步骤:

  • 创建一个用于 存储副作用函数 的容器(或者通俗点说,一个桶,vue3里用了bucket这个词,以后都称为桶);
  • 定义一个普通对象
    obj
    作为原始数据;
  • 创建
    obj
    对象的代理作为响应式数据,分别设置
    get
    set
    拦截函数,用于拦截读和写操作;
  • 当在effect副作用函数中执行响应式数据读操作时,将effect()副作用函数存到桶里;
  • 当对响应式数据进行写操作时,先更新原始数据,再从桶中取出依赖了响应式数据的函数,进行执行;

接下来,根据以上思路,使用

Proxy
实现一下:

 <!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
<title>Document</title>
</head>
<body>
<div id="app">
<p id="title"></p>
<button onclick="changeObj()">修改响应式数据</button>
</div>
</body>
</html>
<script>
// 1. 创建一个存储副作用函数的桶
const bucket = new Set()
// 2. 一个普通的对象
const obj = {
text: 'hello vue2'
}
// 3. 普通对象的代理,一个简单的响应式数据
const objProxy = new Proxy(obj, {
get (target, key) {
bucket.add(effect)
return target[key]
},
set (target, key, newValue) {
target[key] = newValue
bucket.forEach((fn) => {
fn()
})
return true
}
})

// 4. 副作用函数 effect(), 给p标签设置值
const effect = function () {
document.getElementById('title').innerText = objProxy.text
}

// 5. 改变代理对象的元素值
const changeObj = function () {
objProxy.text = 'hello vue3!!!!!!'
}

// 首次进入时,给p标签设置值
effect()
</script>

响应式-show-1

2.3 缺陷

  • 副作用函数名字叫
    effect
    ,是硬编码的,假如叫其他的名字,就无法正确执行了;

3. 完善的响应式系统

3.1 如何存储一个任意命名(甚至匿名)的副作用函数?

需要提供一个用来注册副作用函数的机制,如以下代码所示:

 <!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
<title>Document</title>
</head>
<body>
<div id="app">
<p id="title"></p>
<button onclick="changeObj()">修改响应式数据</button>
</div>
</body>
</html>
<script>
let activeEffect
function effectRegister (fn) {
activeEffect = fn
fn()
}

const bucket = new Set()
const obj = {
text: 'hello vue2'
}
const objProxy = new Proxy(obj, {
get (target, key) {
if (activeEffect) {
bucket.add(activeEffect)
}
return target[key]
},
set (target, key, newValue) {
target[key] = newValue
bucket.forEach((fn) => {
fn()
})
return true
}
})
const changeObj = function () {
objProxy.text = 'hello vue3!!!!!!'
}

effectRegister(() => {
document.getElementById('title').innerText = objProxy.text
})
</script>

以上方式,通过定义一个全局变量

activeEffect
,用来存储(匿名)副作用函数。并提供一个注册副作用函数的 注册函数
effectRegister
,该函数是一个高阶函数,接受一个函数作为参数,保存并执行该函数。将(匿名)副作用函数保存到
activeEffect
中,当(匿名)副作用函数执行时,触发响应式数据的读操作,此时将
activeEffect
存入副作用函数桶中。

缺陷:

以上方案成功解决了 匿名的函数 的保存问题,但仍存在一个严重问题:

响应式对象内的不同属性和不同副作用函数的对应问题

下面给响应式数据添加一个属性,以上代码微调为如下:

 // ... 省略未改变代码

const setObj = function (key, value) {
objProxy[key] = value
}

const changeObj = function () {
setObj('text', 'hello vue3!!!!!!')
setObj('notExist', 'this key is not exist')
console.log(1, bucket)
}

effectRegister(() => {
console.log('执行')
document.getElementById('title').innerText = objProxy.text
})

执行结果为:

image-20220627190632726

可以看到,此时副作用函数与

obj.notExist
属性并未建立响应关系,但当给 notExist 赋值时,副作用函数也执行了,这显然不对了。

理想情况应该是,a属性与aFunc建立响应式关系,b属性与bFunc建立响应式联系,则 a 改变时,仅 aFunc函数触发执行,b改变时,仅bFunc触发执行。

3.2 如何解决响应式对象内的不同属性和不同副作用函数的对应问题?

问题分析:

导致该问题的根本原因是,我们 没有在副作用函数与被操作的目标字段之间建立明确的联系

例如,但读取属性值时,无论 读取 到哪一个属性,其实都一样,都会把副作用函数收集到“桶”里;无论 设置 的是哪一个属性,也会把“桶”里面的副作用函数取出并执行。响应数据属性和副作用函数之间没有明确的联系。

解决方案很简单,只需要在副作用函数与被操作的字段之间建立联系即可。

要实现不同属性值与副作用函数对应,

Set
类型的数据作为桶已经明显不合适了。

科普下es6几大数据类型:

Set :ES6 提供了新的数据结构 Set。它类似于数组,但是成员的值都是唯一的,没有重复的值。

WeakSet :WeakSet 结构与 Set 类似,也是不重复的值的集合。但是,它与 Set 有两个区别。首先,WeakSet 的成员只能是对象,而不能是其他类型的值。其次,WeakSet 中的对象都是弱引用,即垃圾回收机制不考虑 WeakSet 对该对象的引用,也就是说,如果其他对象都不再引用该对象,那么垃圾回收机制会自动回收该对象所占用的内存,不考虑该对象还存在于 WeakSet 之中。

Map :它类似于对象,也是键值对的集合,但是“键”的范围不限于字符串,各种类型的值(包括对象)都可以当作键。也就是说,Object 结构提供了“字符串—值”的对应,Map 结构提供了“值—值”的对应,是一种更完善的 Hash 结构实现。

WeakMap

WeakMap
结构与
Map
结构类似,也是用于生成键值对的集合。
WeakMap
Map
的区别有两点。

首先,

WeakMap
只接受对象作为键名(
null
除外),不接受其他类型的值作为键名。其次,
WeakMap
的键名所指向的对象,不计入垃圾回收机制。

新的方案:

首先,来看下如下代码:

 effectRegister(function effectFn () {
document.getElementById('title').innerText = objProxy.text
})

这段代码存在三个角色:

  • 被读取的响应式数据
    objProxy
    ;
  • 被读取的响应式数据的属性名
    text
    ;
  • 使用
    effectRegister
    函数注册的副作用函数
    effectFn
    ;

如果使用

target
来表示一个代理对象所代理的原始对象,用
key
来表示被操作的字段名,用
effectFn
来表示被注册的副作用函数,那么可以为这三个角色建立如下关系:

image-20220627213637491

这是一种树型结构,下面举几个例子进行补充说明:

  1. 如果有2个副作用函数同时读取同一个对象的属性值:

     effectRegister(function effectFn1 () {
    obj.text
    })

    effectRegister(function effectFn2 () {
    obj.text
    })

​ 那么这三者关系如下:

image-20220627214317647

  1. 如果一个副作用函数中读取了同一个对象的 2 个不同属性:

     effectRegister(function effectFn () {
    obj.text1
    obj.text2
    }

那么这三者关系如下:

image-20220627214620629

  1. 如果 2 个不同的副作用函数中读取了 2 个不同对象的不同属性:

     effectRegister(function effectFn1 () {
    obj1.text1
    })

    effectRegister(function effectFn2 () {
    obj2.text2
    })

    那么这三者关系如下:

    image-20220627215041694

总之,这其实就是一个树形数据结构。这个联系建立起来后,就可以解决前文提到的问题。上文中,如果我们设置了

obj2.text2
的值,就只会导致
effectFn2
函数重新执行,并不会导致
effectFn1
函数重新执行。

接下来,需要重新设计这个桶。根据对以上几种情况的分析,我们可以总结一下这种数据结构的模型:

image-20220628103144724

首先,使用

WeakMap
代替
Set
来作为桶,将 原始对象
target
作为
WeakMap
的key,使用
Map
作为value。在
Map
中又以属性值 作为 key值,使用
Set
存储key 对应的副作用函数
effectFn
,然后修改
get/set
拦截器代码。

以下,我们将桶命名为

bucket
, 每个对象的 属性-副作用函数 存储块 命名为
depsMap
,将depsMap中的value部分(Set类型,存储副作用函数)命名为
deps
(与vue3响应式实现源码命名保持一致),根据数据结构图,重新编写
get/set
拦截器代码:

js:

 // WeakMap 类型的桶
const bucket = new WeakMap()
// 初始值为undefined
let activeEffect
// 定义2个对象
const obj_1 = {
text1: 'hello vue',
text2: 'hello jquery'
}

const obj_2 = {
text1: 'hello react',
text2: 'hello angular'
}

const objProxy1 = new Proxy(obj_1, {
get (target, key) {
// 如果没有注册的副作用函数,直接返回key对应的value值
if (!activeEffect) {
return target[key]
}

// 获取桶内 target 对象对应的 depsMap
let depsMap = bucket.get(target)
// 如果该对象还没有depsMap,这新建一个
if (!depsMap) {
depsMap = new Map()
bucket.set(target, depsMap)
}

// 从depsMap中取出属性对应的副作用函数集合
let deps = depsMap.get(key)
// 同理,若不存在,则创建
if (!deps) {
deps = new Set()
depsMap.set(key, deps)
}
deps.add(activeEffect)
return target[key]
},
set (target,key, newValue) {
// 给target的key设置新的value
target[key] = newValue

// 取出该target对应的depsMap
let depsMap = bucket.get(target)
// depsMap 不存在或为空直接返回
if (!depsMap) {
return
}

// 取出deps
let deps = depsMap.get(key)
// deps 不存在或为空直接返回
if (!deps) {
return
}
// 依次执行对应副作用函数
deps.forEach((fn) => {
fn()
})
return true
}
})

const objProxy2 = new Proxy(obj_2, {
...
})

const effectRegister = function (fn) {
activeEffect = fn
fn()
}

演示:

响应式-show-3

3.3 思考:为什么桶的结构使用WeakMap而不是Map?

看一段代码:

 const map = new Map()
const weakmap = new WeakMap()
;(function () {
const foo = { foo: 1}
const bar = { bar: 2}
map.set(foo, 1)
weakmap.set(bar, 2)
})();
console.log(map)
console.log(weakmap)

思考,打印结果分别是啥?

注意 :在浏览器环境下,console打印结果表现出异步行为。

image-20220628140308855

原因分析:

Map对key是强引用,当立即执行函数结束后,foo仍被map引用,因此map.keys()可以成功打印出key值,而WeakMap对

key
是弱引用,立即执行函数结束后,bar 失去引用,被垃圾回收器回收掉,因此weakmap.keys()无法取出key值。

结论:

WeakMap经常存储那些只有当key值所引用的对象存在(没有被垃圾回收)时才有价值的信息,例如示例中的target,如果target对象没有任何引用了,说明用户测不需要它了,这是垃圾回收器会完成回收任务。

如果使用Map来代替WeakMap,那即使用户侧没有任何对target的引用,这个target也不会被回收,最终可能导致内存溢出。

4. 总结

以上,我们实现了一个简单的响应系统,核心思路是通过代理来拦截响应数据的读和写的操作,将与对象属性相关的副作用函数进行存储,当对象属性变化时,同步执行相关联的副作用函数,达到响应式的效果。

其实现中混合使用了代理模式和观察者模式。

5. 参考资料

  • 霍春阳《Vue.js设计与实现》
  • JS中15种常见设计模式

附:程序源码

 <!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
<title>Document</title>
</head>
<body>
<div id="app">
<p id="title_1"></p>
<p id="title_2"></p>
<button onclick="setObj_1()">修改响应式数据1</button>
<button onclick="setObj_2()">修改响应式数据2</button>
</div>
</body>
</html>
<script>
let activeEffect
let count = 3
let version = 3
const bucket = new WeakMap()
const obj_1 = {
text1: 'hello vue2',
text2: 'hello jq2'
}

const obj_2 = {
text2: 'hello react16',
text1: 'hello ng2'
}

const getProxy = function (obj) {
return new Proxy(obj, {
get (target, key) {
track(target, key)
return target[key]
},
set (target, key, newValue) {
trigger(target, key, newValue)
return true
}
})
}

const track = function (target, key) {
// 如果无副作用函数,则直接返回原始对象值
if (!activeEffect) {
return
}

// 以该代理对象的原始对象作为key值,获取depsMap (属性和副作用函数之间的对应关系 key --> effectFn)
let depsMap = bucket.get(target)
// 如果不存在depsMap,则新建一个Map与target关联起来
if (!depsMap) {
depsMap = new Map()
bucket.set(target, depsMap)
}
// 根据key从depsMap中获取对应的deps,deps是一个Set
let deps = depsMap.get(key)
// 如果不存在,则新建Set,并与key关联
if (!deps) {
deps = new Set()
depsMap.set(key, deps)
}
// 最后将当前活跃的副作用函数添加到桶里
deps.add(activeEffect)
}

const trigger = function (target, key, newValue) {
target[key] = newValue
let depsMap = bucket.get(target)
if (!depsMap) {
return
}
let deps = depsMap.get(key)
if (!deps) {
return
}

deps.forEach(fn => {
fn()
})
}

const objProxy1 = getProxy(obj_1)
const objProxy2 = getProxy(obj_2)

const effectRegister = function (fn) {
activeEffect = fn
fn()
}

const setObj_1 = function () {
objProxy1.text1 = `hello, vue${count++}`
console.log('bucket-1', bucket)
}

const setObj_2 = function () {
objProxy2.text2 = `hello, react${version++}`
console.log('bucket-2', bucket)
}

console.log('bucket-init', bucket)
effectRegister(function effectFn1 () {
document.getElementById('title_1').innerText = objProxy1.text1
})

effectRegister(function effectFn2 () {
document.getElementById('title_2').innerText = objProxy2.text2
})
</script>

标签: Javascript

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