vlambda博客
学习文章列表

最近我发现很多面试题里面都有「如何理解虚拟 DOM」这个题，我觉得这个题应该没有想象中那么好答，因为很多人没有真正理解虚拟 DOM 它的价值所在，我这篇从虚拟 DOM 的诞生过程来引出它的价值以及历史地位，帮助你深入的理解它。

什么是虚拟 DOM

本质上是 JavaScript 对象，这个对象就是更加轻量级的对 DOM 的描述。

对，就是这么简单！

就是一个复杂一点的对象而已，没什么好说的，重点是为什么要有这个东西，以及有了这个描述有什么好处才是我们今天要介绍的内容。

为什么要有虚拟 DOM

再谈为什么要用虚拟 DOM 之前，先来聊一聊 React 是怎么诞生的，毕竟在了解历史背景，再去思考他的诞生，就知道是必然会出现的。

再查了很多关于 React 的历史相关的文章，这篇文章我感觉比较值得令我信服：React 是怎样炼成的^[1]。

众所周知，Facebook 是 PHP 大户，所以 React 最开始的灵感就来至于 PHP。

字符串拼接时代 - 2004

在 2004 年这个时候，大家都还在用 PHP 的字符串拼接来开发网站：

$str = '<ul>';
foreach ($talks as $talk) {
  $str += '<li>' . $talk->name . '</li>';
}
$str += '</ul>';

这种方式代码写出来不好看不说，还容易造成 XSS 等安全问题。

应对方法是对用户的任何输入都进行转义（Escape）。但是如果对字符串进行多次转义，那么反转义的次数也必须是相同的，否则会无法得到原内容。如果又不小心把 HTML 标签（Markup）给转义了，那么 HTML 标签会直接显示给用户，从而导致很差的用户体验。

XHP 时代 - 2010

到了 2010 年，为了更加高效的编码，同时也避免转义 HTML 标签的错误，Facebook 开发了 XHP 。XHP 是对 PHP 的语法拓展，它允许开发者直接在 PHP 中使用 HTML 标签，而不再使用字符串。

$content = <ul />;
foreach ($talks as $talk) {
  $content->appendChild(<li>{$talk->name}</li>);
}

这样的话，所有的 HTML 标签都使用不同于 PHP 的语法，我们可以轻易的分辨哪些需要转义哪些不需要转义。

不久的后来，Facebook 的工程师又发现他们还可以创建自定义标签，而且通过组合自定义标签有助于构建大型应用。

JSX - 2013

到了 2013 年，前端工程师 Jordan Walke 向他的经理提出了一个大胆的想法：把 XHP 的拓展功能迁移到 JS 中。首要任务是需要一个拓展来让 JS 支持 XML 语法，该拓展称为 JSX。因为当时由于 Node.js 在 Facebook 已经有很多实践，所以很快就实现了 JSX。

可以猜想一下为什么要迁移到 js 中，我猜想应该是前后端分离导致的。

const content = (
  <TalkList>
 { talks.map(talk => <Talk talk={talk} />)}
 </TalkList>
);

React

在这个时候，就有另外一个很棘手的问题，那就是在进行更新的时候，需要去操作 DOM，传统 DOM API 细节太多，操作复杂，所以就很容易出现 Bug，而且代码难以维护。

然后就想到了 PHP 时代的更新机制，每当有数据改变时，只需要跳到一个由 PHP 全新渲染的新页面即可。

从开发者的角度来看的话，这种方式开发应用是非常简单的，因为它不需要担心变更，且界面上用户数据改变时所有内容都是同步的。

为此 React 提出了一个新的思想，即始终整体“刷新”页面

当发生前后状态变化时，React 会自动更新 UI，让我们从复杂的 UI 操作中解放出来，使我们只需关于状态以及最终 UI 长什么样。

下面看看局部刷新和整体刷新的区别。

图片来自于极客时间王沛老师的《React 进阶与实战》

局部刷新：

// 下面是伪代码
var ul = find(ul) // 先找到 ul
ul.append(`<li>${message3}</li>`) //然后再将message3插到最后

// 想想如果是不插到最后一个，而是插到中间的第n个
var ul = find(ul) // 先找到 ul
var preli = find(li(n-1)) // 再找到 n-1 的一个 li
preli.next(`<li>${message3}</li>`) // 再插入到 n-1 个的后面

整体刷新：

UI = f(messages) // 整体刷新 3 条消息，只需要调用 f 函数

// 这个是在初始渲染的时候就定义好的，更新的时候不用去管
function f(messages) {
	return <ul>
 {messages.map(message => <li>{ message }</li>)}
 </ul>
}

这个时候，我只需要关系我的状态（数据是什么），以及 UI 长什么样（布局），不再需要关系操作细节。

这种方式虽然简单粗暴，但是很明显的缺点，就是很慢。

另外还有一个问题就是这样无法包含节点的状态。比如它会失去当前聚焦的元素和光标，以及文本选择和页面滚动位置，这些都是页面的当前状态。

Diff

为了解决上面说的问题，对于没有改变的 DOM 节点，让它保持原样不动，仅仅创建并替换变更过的 DOM 节点。这种方式实现了 DOM 节点复用（Reuse）。

至此，只要能够识别出哪些节点改变了，那么就可以实现对 DOM 的更新。于是问题就转化为如何比对两个 DOM 的差异。

说道对比差异，可能很容易想到版本控制(git)。

DOM 是树形结构，所以 diff 算法必须是针对树形结构的。目前已知的完整树形结构 diff 算法复杂度为 O(n^3) 。

完整的 Tree diff 实现算法。^[2]

但是时间复杂度 O(n^3) 太高了，所以 Facebook 工程师考虑到组件的特殊情况，然后将复杂度降低到了 O(n)。

附：详细的 diff 理解：不可思议的 react diff 。^[3]

Virtual DOM

前面说到，React 其实实现了对 DOM 节点的版本控制。

做过 JS 应用优化的人可能都知道，DOM 是复杂的，对它的操作（尤其是查询和创建）是非常慢非常耗费资源的。看下面的例子，仅创建一个空白的 div，其实例属性就达到 231 个。

// Chrome v63
const div = document.createElement('div');
let m = 0;
for (let k in div) {
  m++;
}
console.log(m); // 231

对于 DOM 这么多属性，其实大部分属性对于做 Diff 是没有任何用处的，所以如果用更轻量级的 JS 对象来代替复杂的 DOM 节点，然后把对 DOM 的 diff 操作转移到 JS 对象，就可以避免大量对 DOM 的查询操作。这个更轻量级的 JS 对象就称为 Virtual DOM 。

那么现在的过程就是这样：

1. 维护一个使用 JS 对象表示的 Virtual DOM，与真实 DOM 一一对应
2. 对前后两个 Virtual DOM 做 diff ，生成 变更（Mutation）
3. 把变更应用于真实 DOM，生成最新的真实 DOM

可以看出，因为要把变更应用到真实 DOM 上，所以还是避免不了要直接操作 DOM ，但是 React 的 diff 算法会把 DOM 改动次数降到最低。

剩下的历史就不谈了，已经引出这篇文章的重点：虚拟 DOM。详细的历史可见：React 是怎样炼成的^[4]，文中历史部分内容很多摘抄与此。

总结

传统前端的编程方式是命令式的，直接操纵 DOM，告诉浏览器该怎么干。这样的问题就是，大量的代码被用于操作 DOM 元素，且代码可读性差，可维护性低。

React 的出现，将命令式变成了声明式，摒弃了直接操作 DOM 的细节，只关注数据的变动，DOM 操作由框架来完成，从而大幅度提升了代码的可读性和可维护性。

在初期我们可以看到，数据的变动导致整个页面的刷新，这种效率很低，因为可能是局部的数据变化，但是要刷新整个页面，造成了不必要的开销。

所以就有了 Diff 过程，将数据变动前后的 DOM 结构先进行比较，找出两者的不同处，然后再对不同之处进行更新渲染。

但是由于整个 DOM 结构又太大，所以采用了更轻量级的对 DOM 的描述—虚拟 DOM。

不过需要注意的是，虚拟 DOM 和 Diff 算法的出现是为了解决由命令式编程转变为声明式编程、数据驱动后所带来的性能问题的。换句话说，直接操作 DOM 的性能并不会低于虚拟 DOM 和 Diff 算法，甚至还会优于。

这么说的原因是因为 Diff 算法的比较过程，比较是为了找出不同从而有的放矢的更新页面。但是比较也是要消耗性能的。而直接操作 DOM 就是有的放矢，我们知道该更新什么不该更新什么，所以不需要有比较的过程。所以直接操作 DOM 效率可能更高。

React 厉害的地方并不是说它比 DOM 快，而是说不管你数据怎么变化，我都可以以最小的代价来进行更新 DOM。方法就是我在内存里面用新的数据刷新一个虚拟 DOM 树，然后新旧 DOM 进行比较，找出差异，再更新到 DOM 树上。

框架的意义在于为你掩盖底层的 DOM 操作，让你用更声明式的方式来描述你的目的，从而让你的代码更容易维护。没有任何框架可以比纯手动的优化 DOM 操作更快，因为框架的 DOM 操作层需要应对任何上层 API 可能产生的操作，它的实现必须是普适的。

• 网上都说操作真实 DOM 慢，但测试结果却比 React 更快，为什么 ^[5]

另外再提一个点，很多人会把 Diff 、数据更新、提升性能等概念绑定起来，但是你想想这个问题：React 由于只触发更新,而不能知道精确变化的数据,所以需要 diff 来找出差异然后 patch 差异队列。Vue 采用数据劫持的手段可以精准拿到变化的数据,为什么还要用虚拟 DOM？

虚拟 DOM 的作用

要想回答上面那个问题，真的不要仅仅以为虚拟 DOM 或者 React 是来解决性能问题的，好处可还有很多呢。下面我总结了一些虚拟 DOM 好作用。

• Virtual DOM 在牺牲(牺牲很关键)部分性能的前提下，增加了可维护性，这也是很多框架的通性。
• 实现了对 DOM 的集中化操作，在数据改变时先对虚拟 DOM 进行修改，再反映到真实的 DOM 中，用最小的代价来更新 DOM，提高效率(提升效率要想想是跟哪个阶段比提升了效率，别只记住了这一条)。
• 打开了函数式 UI 编程的大门。
• 可以渲染到 DOM 以外的端，使得框架跨平台，比如 ReactNative，React VR 等。
• 可以更好的实现 SSR，同构渲染等。这条其实是跟上面一条差不多的。
• 组件的高度抽象化。

既然虚拟 DOM 有这么多作用，那么上面的问题，Vue 采用虚拟 DOM 的原因是什么呢？

Vue 2.0 引入 vdom 的主要原因是 vdom 把渲染过程抽象化了，从而使得组件的抽象能力也得到提升，并且可以适配 DOM 以外的渲染目标。来自尤大文章：Vue 的理念问题^[6]

虚拟 DOM 的缺点

• 首次渲染大量 DOM 时，由于多了一层虚拟 DOM 的计算，会比 innerHTML 插入慢。
• 虚拟 DOM 需要在内存中的维护一份 DOM 的副本(更上面一条其实也差不多，上面一条是从速度上，这条是空间上)。
• 如果虚拟 DOM 大量更改，这是合适的。但是单一的，频繁的更新的话，虚拟 DOM 将会花费更多的时间处理计算的工作。所以，如果你有一个 DOM 节点相对较少页面，用虚拟 DOM，它实际上有可能会更慢。但对于大多数单页面应用，这应该都会更快。

总结

本文在介绍虚拟 DOM 并没有像其他文章一样去解释它的实现以及相关的 Diff 算法，关于 Diff 算法可以看这篇 文中介绍了很多库的 diff 算法，可见其实 React 的 diff 算法并不算太快。

而是通过历史来得出他的价值体现，从历史怎么看大牛们是怎么一步一步的去解决问题，从历史中看为什么别人能做出这么伟大的东西，而我们不能？

每个伟大的产品都会有非常多的背景支持，都是一步一步发展而来的。

另外洗清了一个错误观念：很多人认为虚拟 DOM 最大的优势是 diff 算法，减少 JavaScript 操作真实 DOM 的带来的性能消耗。

虽然这一个虚拟 DOM 带来的一个优势，但并不是全部。虚拟 DOM 最大的优势在于抽象了原本的渲染过程，实现了跨平台的能力，而不仅仅局限于浏览器的 DOM，可以是安卓和 IOS 的原生组件，可以是近期很火热的小程序，也可以是各种 GUI。

最后希望大家多思考，跟随者浪潮站在浪潮之巅。

参考链接

• 虚拟 DOM 为何出现以及性能问题？ ^[7]
• React 是怎样炼成的 ^[8]

参考资料