【Vuejs】探索 Vue.js 响应式原理

爱被打了一巴掌 2022-11-19 09:54 170阅读 0赞

![format_png][]

提到“响应式”三个字，大家立刻想到啥？响应式布局？响应式编程？

![format_png 1][]从字面意思可以看出，具有“响应式”特征的事物会根据条件变化，使得目标自动作出对应变化。比如在“响应式布局”中，页面根据不同设备尺寸自动显示不同样式。

Vue.js 中的响应式也是一样，当数据发生变化后，使用到该数据的视图耶会相应进行自动更新。

接下来我根据个人理解，和大家一起探索下 Vue.js 中的响应式原理，如有错误，欢迎指点????~~

## 一、Vue.js 响应式的使用 ##

现在有个很简单的需求，点击页面中 “leo” 文本后，文本内容修改为“你好，前端自习课”。

我们可以直接操作 DOM，来完成这个需求：

<span id="name">leo</span>

const node = document.querySelector('#name')
    node.innerText = '你好，前端自习课';

实现起来比较简单，当我们需要修改的数据有很多时（比如相同数据被多处引用），这样的操作将变得复杂。

既然说到 Vue.js，我们就来看看 Vue.js 怎么实现上面需求：

<template>
      <div id="app">
        <span @click="setName">{
        { name }}</span>
      </div>
    </template>
    
    <script>
    export default {
      name: "App",
      data() {
        return {
          name: "leo",
        };
      },
      methods: {
        setName() {
          this.name = "你好，前端自习课";
        },
      },
    };
    </script>

观察上面代码，我们**通过改变数据，来自动更新视图**。当我们有多个地方引用这个 `name` 时，视图都会自动更新。

当我们使用目前主流的前端框架 Vue.js 和 React 开发业务时，**只需关注页面数据如何变化，因为数据变化后，视图也会自动更新**，这让我们从繁杂的 DOM 操作中解脱出来，提高开发效率。

## 二、回顾观察者模式 ##

前面反复提到“**通过改变数据，来自动更新视图**”，换个说法就是“**数据改变后，使用该数据的地方被动发生响应，更新视图**”。

是不是有种熟悉的感觉？数据无需关注自身被多少对象引用，只需在数据变化时，通知到引用的对象即可，引用的对象作出响应。恩，有种观察者模式的味道？

> 关于观察者模式，可阅读我之前写的[《图解设计模式之观察者模式（TypeScript）》][TypeScript]。

### 1. 观察者模式流程 ###

观察者模式表示一种“**一对多**”的关系，n 个观察者关注 1 个被观察者，被观察者可以主动通知所有观察者。接下图：

![format_png 2][]在这张图中，粉丝想及时收到“前端自习课”最新文章，只需关注即可，“前端自习课”有新文章，会主动推送给每个粉丝。该过程中，“前端自习课”是被观察者，每位“粉丝”是观察者。

### 2. 观察者模式核心 ###

观察者模式核心组成包括：n 个观察者和 1 个被观察者。这里实现一个简单观察者模式：

#### 2.1 定义接口 ####

// 观察目标接口
    interface ISubject {
        addObserver: (observer: Observer) => void; // 添加观察者
        removeObserver: (observer: Observer) => void; // 移除观察者
        notify: () => void; // 通知观察者
    }
    
    // 观察者接口
    interface IObserver {
        update: () => void;
    }

#### 2.2 实现被观察者类 ####

// 实现被观察者类
    class Subject implements ISubject {
        private observers: IObserver[] = [];
    
        public addObserver(observer: IObserver): void {
            this.observers.push(observer);
        }
    
        public removeObserver(observer: IObserver): void {
            const idx: number = this.observers.indexOf(observer);
            ~idx && this.observers.splice(idx, 1);
        }
    
        public notify(): void {
            this.observers.forEach(observer => {
                observer.update();
            });
        }
    }

#### 2.3 实现观察者类 ####

// 实现观察者类
    class Observer implements IObserver {
        constructor(private name: string) { }
    
        update(): void {
            console.log(`${this.name} has been notified.`);
        }
    }

#### 2.4 测试代码 ####

function useObserver(){
        const subject: ISubject = new Subject();
        const Leo = new Observer("Leo");
        const Robin = new Observer("Robin");
        const Pual = new Observer("Pual");
    
        subject.addObserver(Leo);
        subject.addObserver(Robin);
        subject.addObserver(Pual);
        subject.notify();
    
        subject.removeObserver(Pual);
        subject.notify();
    }
    
    useObserver();
    // [LOG]: "Leo has been notified." 
    // [LOG]: "Robin has been notified." 
    // [LOG]: "Pual has been notified." 
    // [LOG]: "Leo has been notified." 
    // [LOG]: "Robin has been notified."

## 三、回顾 Object.defineProperty() ##

Vue.js 的数据响应式原理是基于 JS 标准内置对象方法 `Object.defineProperty()` 方法来实现，该方法不兼容 IE8 和 FF22 及以下版本浏览器，这也是为什么 Vue.js 只能在这些版本之上的浏览器中才能运行的原因。

理解 `Object.defineProperty()` 对我们理解 Vue.js 响应式原理**非常重要**。

> Vue.js 3 使用 `proxy` 方法实现响应式，两者类似，我们只需搞懂`Object.defineProperty()` ， `proxy` 也就差不多理解了。

### 1. 概念介绍 ###

`Object.defineProperty()` 方法会直接在一个对象上定义一个新属性，或者修改一个对象的现有属性，并返回此对象。 语法如下：

Object.defineProperty(obj, prop, descriptor)

*  入参说明：

`obj` ：要定义属性的**源对象**；`prop` ：要定义或修改的**属性名称**或 **Symbol**；`descriptor` ：要定义或修改的**属性描述符**，包括 `configurable`、`enumerable`、`value`、`writable`、`get`、`set`，具体的可以去参阅文档；

*  出参说明：

修改后的源对象。

举个简单????例子：

const leo = {};
    Object.defineProperty(leo, 'age', { 
        value: 18,
        writable: false
    })
    console.log(leo.age); // 18
    leo.age = 22;
    console.log(leo.age); // 22

### 2. 实现 getter/setter ###

我们知道 `Object.defineProperty()` 方法第三个参数是属性描述符（`descriptor`），支持设置 `get` 和 `set` 描述符：

*  `get` 描述符：当**访问该属性**时，会调用此函数，默认值为 `undefined` ；
 *  `set` 描述符：当**修改该属性**时，会调用此函数，默认值为 `undefined` 。

> 一旦对象拥有了 getter/setter 方法，我们可以简单将该对象称为响应式对象。

这两个操作符为我们提供拦截数据进行操作的可能性，修改前面示例，添加 getter/setter 方法：

let leo = {}, age = 18;
    Object.defineProperty(leo, 'age', { 
        get(){
            // to do something
           console.log('监听到请求数据');
            return age;
        },
        set(newAge){
            // to do something
           console.log('监听到修改数据');
            age = newAge > age ? age : newAge
        }
    })
    leo.age = 20;  // 监听到修改数据
    console.log(leo.age); // 监听到请求数据  // 18
    
    leo.age = 10;  // 监听到修改数据
    console.log(leo.age); // 监听到请求数据  // 10

访问 `leo` 对象的 `age` 属性，会通过 `get` 描述符处理，而修改 `age` 属性，则会通过 `set` 描述符处理。

## 四、实现简单的数据响应式 ##

通过前面两个小节，我们复习了“观察者模式”和“`Object.defineProperty()`” 方法，这两个知识点在 Vue.js 响应式原理中非常重要。

接下来我们来实现一个很简单的数据响应式变化，需求如下：点击“更新数据”按钮，文本更新。

![format_png 3][]

接下来我们将实现三个类：

*  `Dep` 被观察者类，用来生成被观察者；
 *  `Watcher` 观察者类，用来生成观察者；
 *  `Observer` 类，**将普通数据转换为响应式数据，从而实现响应式对象**。

用一张图来描述三者之间关系，现在看不懂没关系，这小节看完可以再回顾这张图：![format_png 4][]

### 1. 实现精简观察者模式 ###

这里参照前面复习“观察者模式”的示例，做下精简：

// 实现被观察者类
    class Dep {
        constructor() {
            this.subs = [];
        }
        addSub(watcher) {
            this.subs.push(watcher);
        }
        notify(data) {
            this.subs.forEach(sub => sub.update(data));
        }
    }
    // 实现观察者类
    class Watcher {
        constructor(cb) {
            this.cb = cb;
        }
        update(data) {
            this.cb(data);
        }
    }

Vue.js 响应式原理中，**观察者模式起到非常重要的作用**。其中：

*  `Dep` 被观察者类，提供用来收集观察者（ `addSub` ）方法和通知观察者（ `notify` ）方法；
 *  `Watcher` 观察者类，实例化时支持传入回调（ `cb` ）方法，并提供更新（ `update` ）方法；
 *

### 2. 实现生成响应式的类 ###

这一步需要实现 `Observer` 类，核心是通过 `Object.defineProperty()` 方法为对象的每个属性设置 getter/setter，目的是**将普通数据转换为响应式数据，从而实现响应式对象**。

![format_png 5][]

这里**以最简单的单层对象为例**（下一节会介绍深层对象），如：

let initData = {
        text: '你好，前端自习课',
        desc: '每日清晨，享受一篇前端优秀文章。'
    };

接下来实现 `Observer` 类：

// 实现响应式类（最简单单层的对象，暂不考虑深层对象）
    class Observer {
        constructor (node, data) {
            this.defineReactive(node, data)
        }
    
        // 实现数据劫持（核心方法）
        // 遍历 data 中所有的数据，都添加上 getter 和 setter 方法
        defineReactive(vm, obj) {
            //每一个属性都重新定义get、set
            for(let key in obj){
                let value = obj[key]， dep = new Dep();
                Object.defineProperty(obj, key, {
                    enumerable: true,
                    configurable: true,
                    get() {
                        // 创建观察者
                        let watcher = new Watcher(v => vm.innerText = v);
                        dep.addSub(watcher);
                        return value;
                    },
                    set(newValue) {
                        value = newValue;
                        // 通知所有观察者
                        dep.notify(newValue);
                    }
                })
            }
        }
    }

上面代码的核心是 `defineReactive` 方法，它遍历原始对象中每个属性，为每个属性实例化一个被观察者（`Dep`），然后分别调用 `Object.defineProperty()` 方法，为每个属性添加 getter/setter。

*  访问数据时，getter 执行依赖收集（即添加观察者），通过实例化 `Watcher` 创建一个观察者，并执行被观察者的 `addSub()` 方法添加一个观察者；
 *  修改数据时，setter 执行派发更新（即通知观察者），通过调用被观察者的 `notify()` 方法通知所有观察者，执行观察者 `update()` 方法。

### 3. 测试代码 ###

为了方便观察数据变化，我们为“更新数据”按钮绑定点击事件来修改数据：

<div id="app"></div>
    <button id="update">更新数据</button>

测试代码如下：

// 初始化测试数据
    let initData = {
        text: '你好，前端自习课',
        desc: '每日清晨，享受一篇前端优秀文章。'
    };
    
    const app = document.querySelector('#app');
    
    // 步骤1：为测试数据转换为响应式对象
    new Observer(app, initData);
    
    // 步骤2：初始化页面文本内容
    app.innerText = initData.text;
    
    // 步骤3：绑定按钮事件，点击触发测试
    document.querySelector('#update').addEventListener('click', function(){
        initData.text = `我们必须经常保持旧的记忆和新的希望。`;
        console.log(`当前时间：${new Date().toLocaleString()}`)
    })

测试代码中，核心在于通过实例化 `Observer`，将测试数据转换为响应式数据，然后模拟数据变化，来观察视图变化。 每次点击“更新数据”按钮，在控制台中都能看到“数据发生变化！”的提示，说明我们已经能通过 setter 观察到数据的变化情况。![format_png 6][]

当然，你还可以在控制台手动修改 `initData` 对象中的 `text` 属性，来体验响应式变化~~![format_png 7][]

到这里，我们实现了非常简单的数据响应式变化，当然 Vue.js 肯定没有这么简单，这个先理解，下一节看 Vue.js 响应式原理，思路就会清晰很多。

> 这部分代码，我已经放到我的 Github，地址：https://github.com/pingan8787/Leo-JavaScript/blob/master/Cute-Gist/Vue/Basics-Reactive-Demo.js

可以再回顾下这张图，对整个过程会更清晰：

![format_png 4][]

## 五、Vue.js 响应式实现 ##

> 本节代码：https://github.com/pingan8787/Leo-JavaScript/blob/master/Cute-Gist/Vue/leo-vue-reactive/

这里大家可以再回顾下下面这张官网经典的图，思考下前面讲的示例。![format_png 8][]

（图片来自：https://cn.vuejs.org/v2/guide/reactivity.html）

上一节实现了简单的数据响应式，接下来继续通过完善该示例，实现一个简单的 Vue.js 响应式，测试代码如下：

// index.js
    const vm = new Vue({
        el: '#app',
        data(){
            return {
                text: '你好，前端自习课',
                desc: '每日清晨，享受一篇前端优秀文章。'
            }
        }
    });

是不是很有内味了，下面是我们最终实现后项目目录：

- mini-reactive
     / index.html   // 入口 HTML 文件
      / index.js     // 入口 JS 文件
      / observer.js  // 实现响应式，将数据转换为响应式对象
      / watcher.js   // 实现观察者和被观察者（依赖收集者）
      / vue.js       // 实现 Vue 类作为主入口类
      / compile.js   // 实现编译模版功能

知道每一个文件功能以后，接下来将每一步串联起来。

### 1. 实现入口文件 ###

我们首先实现入口文件，包括 `index.html` / `index.js` 2 个简单文件，用来方便接下来的测试。

#### 1.1 index.html ####

<!DOCTYPE html>
    <html lang="en">
    <head>
        <script src="./vue.js"></script>
        <script src="./observer.js"></script>
        <script src="./compile.js"></script>
        <script src="./watcher.js"></script>
    </head>
    <body>
        <div id="app">{
        {text}}</div>
        <button id="update">更新数据</button>
        <script src="./index.js"></script>
    </body>
    </html>

#### 1.2 index.js ####

"use strict";
    const vm = new Vue({
        el: '#app',
        data(){
            return {
                text: '你好，前端自习课',
                desc: '每日清晨，享受一篇前端优秀文章。'
            }
        }
    });
    
    console.log(vm.$data.text)
    vm.$data.text = '页面数据更新成功！'; // 模拟数据变化
    console.log(vm.$data.text)

### 2. 实现核心入口 vue.js ###

`vue.js` 文件是我们实现的整个响应式的入口文件，暴露一个 `Vue` 类，并挂载全局。

class Vue {
        constructor (options = {}) {
            this.$el = options.el;
            this.$data = options.data();
            this.$methods = options.methods;
    
            // [核心流程]将普通 data 对象转换为响应式对象
            new Observer(this.$data);
    
            if (this.$el) {
                // [核心流程]将解析模板的内容
                new Compile(this.$el, this)
            }
        }
    }
    window.Vue = Vue;

`Vue` 类入参为一个配置项 `option` ，使用起来跟 Vue.js 一样，包括 `$el` 挂载点、 `$data` 数据对象和 `$methods` 方法列表（本文不详细介绍）。

通过实例化 `Oberser` 类，将普通 data 对象转换为响应式对象，然后判断是否传入 `el` 参数，存在时，则实例化 `Compile` 类，解析模版内容。

总结下 `Vue` 这个类工作流程 ：![format_png 9][]

### 3. 实现 observer.js ###

observer.js 文件实现了 `Observer` 类，用来将普通对象转换为响应式对象：

class Observer {
        constructor (data) {
            this.data = data;
            this.walk(data);
        }
    
        // [核心方法]将 data 对象转换为响应式对象，为每个 data 属性设置 getter 和 setter 方法
        walk (data) {
            if (typeof data !== 'object') return data;
            Object.keys(data).forEach( key => {
                this.defineReactive(data, key, data[key])
            })
        }
    
        // [核心方法]实现数据劫持
        defineReactive (obj, key, value) {
            this.walk(value);  // [核心过程]遍历 walk 方法，处理深层对象。
            const dep = new Dep();
            Object.defineProperty(obj, key, {
                enumerable: true,
                configurable: true,
                get () {
                    console.log('[getter]方法执行')
                    Dep.target &&  dep.addSub(Dep.target);
                    return value
                },
                set (newValue) {
                    console.log('[setter]方法执行')
                    if (value === newValue) return;
                    // [核心过程]当设置的新值 newValue 为对象，则继续通过 walk 方法将其转换为响应式对象
                    if (typeof newValue === 'object') this.walk(newValue);
                    value = newValue;
                    dep.notify(); // [核心过程]执行被观察者通知方法，通知所有观察者执行 update 更新
                }
            })
        }
    }

相比较第四节实现的 `Observer` 类，这里做了调整：

*  增加 `walk` 核心方法，用来遍历对象每个属性，分别调用数据劫持方法（ `defineReactive()` ）；
 *  在 `defineReactive()` 的 getter 中，判断 `Dep.target` 存在才添加观察者，下一节会详细介绍 `Dep.target`；
 *  在 `defineReactive()` 的 setter 中，判断当前新值（ `newValue` ）是否为对象，如果是，则直接调用 `this.walk()` 方法将当前对象再次转为响应式对象，**处理深层对象**。

通过改善后的 `Observer` 类，我们就可以实现**将单层或深层嵌套的普通对象转换为响应式对象**。

### 4. 实现 watcher.js ###

这里实现了 `Dep` 被观察者类（依赖收集者）和 `Watcher` 观察者类。

class Dep {
        constructor() {
            this.subs = [];
        }
        addSub(watcher) {
            this.subs.push(watcher);
        }
        notify(data) {
            this.subs.forEach(sub => sub.update(data));
        }
    }
    
    class Watcher {
        constructor (vm, key, cb) {
            this.vm = vm;   // vm：表示当前实例
            this.key = key; // key：表示当前操作的数据名称
            this.cb = cb;   // cb：表示数据发生改变之后的回调
    
            Dep.target = this; // 全局唯一
            this.oldValue = this.vm.$data[key]; // 保存变化的数据作为旧值，后续做判断是否更新
            Dep.target = null;
        }
        
        update () {
            console.log(`数据发生变化！`);
            let oldValue = this.oldValue;
            let newValue = this.vm.$data[this.key];
            if (oldValue != newValue) {  // 比较新旧值，发生变化才执行回调
                this.cb(newValue, oldValue);
            };
        }
    }

相比较第四节实现的 `Watcher` 类，这里做了调整：

*  在构造函数中，增加 `Dep.target` 值操作；
 *  在构造函数中，增加 `oldValue` 变量，保存变化的数据作为旧值，后续做为判断是否更新的依据；
 *  在 `update()` 方法中，增加当前操作对象 `key` 对应值的新旧值比较，如果不同，才执行回调。

`Dep.target` 是**当前全局唯一的订阅者**，因为同一时间只允许一个订阅者被处理。`target` 指**当前正在处理的目标订阅者**，当前订阅者处理完就赋值为 `null` 。这里 `Dep.target` 会在 `defineReactive()` 的 getter 中使用到。

通过改善后的 `Watcher` 类，我们操作当前操作对象 `key` 对应值的时候，可以在数据有变化的情况才执行回调，减少资源浪费。

### 4. 实现 compile.js ###

compile.js 实现了 Vue.js 的模版编译，如将 HTML 中的 `{ {text}}` 模版转换为具体变量的值。

compile.js 介绍内容较多，考虑到篇幅问题，并且本文核心介绍响应式原理，所以这里就暂时不介绍 compile.js 的实现，在学习的朋友可以到我 Github 上下载该文件直接下载使用即可，地址：https://github.com/pingan8787/Leo-JavaScript/blob/master/Cute-Gist/Vue/leo-vue-reactive/compile.js

### 5. 测试代码 ###

到这里，我们已经将第四节的 demo 改造成简易版 Vue.js 响应式，接下来打开 index.html 看看效果：![format_png 10][]

当 index.js 中执行到：

vm.$data.text = '我们必须经常保持旧的记忆和新的希望。';

页面便发生更新，页面显示的文本内容从“**你好，前端自习课**”更新成“**我们必须经常保持旧的记忆和新的希望。**”。

到这里，我们的简易版 Vue.js 响应式原理实现好了，能跟着文章看到这里的朋友，给你点个大大的赞????![format_png 11][]

## 六、总结 ##

本文首先通过回顾观察者模式和 `Object.defineProperty()` 方法，介绍 Vue.js 响应式原理的核心知识点，然后带大家通过一个简单示例实现简单响应式，最后通过改造这个简单响应式的示例，实现一个简单 Vue.js 响应式原理的示例。

相信看完本文的朋友，对 Vue.js 的响应式原理的理解会更深刻，希望大家理清思路，再好好回味下~

## 参考资料 ##

1.  官方文档 - 深入响应式原理
2.  《浅谈Vue响应式原理》
3.  《Vue的数据响应式原理》

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