Vue 數據響應式原理

Vue 數據響應式原理

Vue.js 的核心包括一套“響應式系統”。“響應式”，是指當數據改變后，Vue 會通知到使用該數據的代碼。例如，視圖渲染中使用了數據，數據改變后，視圖也會自動更新。

舉個簡單的例子，對於模板：

{{ name }}

創建一個 Vue 組件：

var vm = new Vue({
  el: '#root',
  data: {
    name: 'luobo'
  }
})

 

代碼執行后，頁面上對應位置會顯示：luobo。

 

如果想改變顯示的名字，只需要執行：

vm.name = 'tang'

 

這樣頁面上就會顯示修改后的名字了，並不需要去手動修改 DOM 更新數據。

接下來，我們就一起深入了解 Vue 的數據響應式原理，搞清楚響應式的實現機制。

 

基本概念

Vue 的響應式，核心機制是 觀察者模式。

數據是被觀察的一方，發生改變時，通知所有的觀察者，這樣觀察者可以做出響應，比如，重新渲染然后更新視圖。

我們把依賴數據的觀察者稱為 watcher，那么這種關系可以表示為：

data -> watcher

 

數據可以有多個觀察者，怎么記錄這種依賴關系呢？

Vue 通過在 data 和 watcher 間創建一個 dep 對象，來記錄這種依賴關系：

data - dep -> watcher

 

dep 的結構很簡單，除了唯一標識屬性 id，另一個屬性就是用於記錄所有觀察者的 subs：

1.id - number

2.subs - [Watcher]

再來看 watcher。

 

Vue 中 watcher 的觀察對象，確切來說是一個求值表達式，或者函數。這個表達式或者函數，在一個 Vue 實例的上下文中求值或執行。這個過程中，使用到數據，也就是 watcher 所依賴的數據。用於記錄依賴關系的屬性是 deps，對應的是由 dep 對象組成的數組，對應所有依賴的數據。而表達式或函數，最終會作為求值函數記錄到 getter 屬性，每次求值得到的結果記錄在 value 屬性：

 1.vm - VueComponent

2.deps - [Dep]

3.getter - function

4.value - *

 

另外，還有一個重要的屬性 cb，記錄回調函數，當 getter 返回的值與當前 value 不同時被調用：

1.cb - function

我們通過示例來整理下 data、dep、watcher 的關系：

var vm = new Vue({
  data: {
    name: 'luobo',
    age: 18
  }
})
 
var userInfo = function () {
  return this.name + ' - ' + this.age
}


var onUserInfoChange = function (userInfo) {
  console.log(userInfo)
}
 
vm.$watch(userInfo, onUserInfoChange)

 

上面代碼首先創建了一個新的 Vue 實例對象 vm，包含兩個數據字段：name、age。對於這兩個字段，Vue 會分別創建對應的 dep 對象，用於記錄依賴該數據的 watcher。

然后定義了一個求值函數 userInfo，注意，這個函數會在對應的 Vue 示例上下文中執行，也就是說，執行時的 this 對應的就是 vm。

回調函數 onUserInfoChange 只是打印出新的 watcher 得到的新的值，由 userInfo 執行后生成。

通過 vm.$watch(userInfo, onUserInfoChange)，將 vm、getter、cb 集成在一起創建了新的 watcher。創建成功后，watcher 在內部已經記錄了依賴關系，watcher.deps 中記錄了 vm 的 name、age 對應的 dep 對象（因為 userInfo 中使用了這兩個數據）。

接下來，我們修改數據：

vm.name = 'tang'

 

執行后，控制台會輸出：

tang - 18

 

同樣，如果修改 age 的值，也會最終觸發 onUserInfoChange 打印出新的結果。

用個簡單的圖來整理下上面的關系：

vm.name -- dep1
vm.age  -- dep2
watcher.deps --> [dep1, dep2]

 

修改 vm.name 后，dep1 通知相關的 watcher，然后 watcher 執行 getter，得到新的 value，再將新的 value 傳給 cb：

vm.name -> dep1 -> watcher -> getter -> value -> cb

 

可能你也注意到了，上面例子中的 userInfo，貌似就是計算屬性的作用嘛： 

var vm = new Vue({
  data: {
    name: 'luobo',
    age: 18
  },

  computed: {
    userInfo() {
      return this.name + ' - ' + this.age
    }
  }
})

 

其實，計算屬性在內部也是基於 watcher 實現的，每個計算屬性對應一個 watcher，其 getter 也就是計算屬性的聲明函數。

不過，計算屬性對應的 watcher 與直接通過 vm.$watch() 創建的 watcher 略有不同，畢竟如果沒有地方使用到這個計算屬性，數據改變時都重新進行計算會有點浪費，這個在本文后面會講到。

上面描述了 data、dep、watcher 的關系，但是問題來了，這種依賴關系是如何建立的呢？數據改變后，又是如何通知 watcher 的呢？

接下來我們深入 Vue 源碼，搞清楚這兩個問題。

 

建立依賴關系

Vue 源碼版本 v2.5.13，文中摘錄的部分代碼為便於分析進行了簡化或改寫。

響應式的核心邏輯，都在 Vue 項目的 “vue/src/core/observer” 目錄下面。

我們還是先順着前面示例代碼來捋一遍，首先是 Vue 實例化過程：

var vm = new Vue(/* ... */)

 

跟將傳入的 data 進行響應式初始化相關的代碼，在 “vue/src/core/instance/state.js” 文件中：

observer/state.js#L149

// new Vue() -> ... -> initState() -> initData()
observe(data)

 

函數 observe() 的目的是讓傳入的整個對象成為響應式的，它會遍歷對象的所有屬性，然后執行：

observer/index.js#L64

// observe() -> new Observer() -> observer.walk()
defineReactive(obj, key, value)

 

defineReactive() 就是用於定義響應式數據的核心函數。它主要做的事情包括：

1.新建一個 dep 對象，與當前數據對應

2.通過 Object.defineProperty() 重新定義對象屬性，配置屬性的 set、get，從而數據被獲取、設置時可以執行 Vue 的代碼

 

OK，先到這里，關於 Vue 實例化告一段落。

需要要注意的是，傳入 Vue 的 data 的所有屬性，會被代理到新創建的 Vue 實例對象上，這樣通過 vm.name 進行操作的其實就是 data.name，這也是借助 Object.defineProperty() 實現的。

再來看 watcher 的創建過程：

vm.$watch(userInfo, onUserInfoChange)

 

上述代碼執行后，會調用：

instance/state.js#L346

 

// Vue.prototype.$watch()
new Watcher(vm, expOrFn, cb, options)

 

也就是：

new Watcher(vm, userInfo, onUserInfoChange, {/* 略 */})

 

在 watcher 對象創建過程中，除了記錄 vm、getter、cb 以及初始化各種屬性外，最重要的就是調用了傳入的 getter 函數：

observer/watcher.js#L103

// new Watcher() -> watcher.get()
value = this.getter.call(vm, vm)

 

在 getter 函數的執行過程中，獲取讀取需要的數據，於是觸發了前面通過 defineReactive() 配置的 get 方法：

if (Dep.target) {
  dep.depend()
}

 

回到 watcher.get() 方法，在執行 getter 函數的前后，分別有如下代碼：

pushTarget(this)
// ...
value = this.getter.call(vm, vm)
// ...
popTarget()

 

pushTarget() 將當前 watcher 設置為 Dep.target，這樣在執行到 vm.name 進一步執行對應的 get 方法時，Dep.target 的值就是這里的 watcher，然后通過 dep.depend() 就建立了依賴關系。

dep.depend() 執行的邏輯就比較好推測了，將 watcher（通過 Dep.target 引用到）記錄到 dep.subs 中，將 dep 記錄到 watcher.deps 中 —— 依賴關系建立了！

然后來看建立的依賴關系是如何使用的。

 

數據變更同步

繼續前面的例子，執行如下代碼時：

vm.name = 'tang'

 

會觸發通過 defineReactive() 配置的 set 方法，如果數據改變，那么：

// defineReactive() -> set()
dep.notify()

 

通過 dep 對象來通知所有的依賴方法，於是 dep 遍歷內部的 subs 執行：

// dep.notify()
watcher.update()

 

這樣 watcher 就被通知到了，知道了數據改變，從而繼續后續的處理。這里先不展開。

到這里，基本就搞清楚響應式的基本機制了，整理一下：

1.通過 Object.defineProperty() 替換配置對象屬性的 set、get 方法，實現“攔截”

2.watcher 在執行 getter 函數時觸發數據的 get 方法，從而建立依賴關系

3.寫入數據時觸發 set 方法，從而借助 dep 發布通知，進而 watcher 進行更新

 

這樣再看 Vue 官方的圖就比較好理解了：

 

圖片來源：https://vuejs.org/v2/guide/reactivity.html

上圖中左側是以組件渲染（render）作為 getter 函數來演示響應式過程的，這其實就是 RenderWatcher 這種特殊類型 watcher 的作用機制，后面還會再講。

 

計算屬性

本文前面提到過計算屬性，在 Vue 中也是作為 watcher 進行處理的。計算屬性（ComputedWatcher）特殊的地方在於，它其實沒有 cb（空函數），只有 getter，並且它的值只在被使用時才計算並緩存。

首先，ComputedWatcher 在創建時，不會立即執行 getter（lazy 選項值為 false），這樣一開始 ComputedWatcher 並沒有和使用到的數據建立依賴關系。

計算屬性在被“get”時，首先執行預先定義的 ComputedGetter 函數，這里有一段特殊邏輯：

instance/state.js#L238

function computedGetter () {
  if (watcher.dirty) {
    watcher.evaluate()
  }
  if (Dep.target) {
    watcher.depend()
  }
  return watcher.value
}

 

首先判斷 watcher 是不是 dirty 狀態，什么意思呢？

計算屬性對應的 watcher 初始創建的時候，並沒有執行 getter，這個時候就會設置 dirty 為 true，這樣當前獲取計算屬性的值的時候，會執行 getter 得到 value，然后標記 dirty 為 false。這樣后續再獲取計算屬性的值，不需要再計算（執行 getter），直接就能返回緩存的 value。

另外，計算屬性的 watcher 在執行 watcher.evaluate() 是，進一步調用 watcher.get()，從而進行依賴收集。而依賴的數據在改變后，會通知計算屬性的 watcher，但是 watcher 只是標記自身為 dirty，而不計算。這樣的好處是可以減小開銷，只在有地方需要計算屬性的值時才執行計算。

如果依賴的數據發生變更，計算屬性只是標記 dirty 為 true，會不會有問題呢？

解決這個問題的是上面代碼的這一部分：

if (Dep.target) {
  watcher.depend()
}

 

也就是說，如果當前有在收集依賴的 watcher，那么當前計算屬性的 watcher 會間接地通過 watcher.depend() 將依賴關系“繼承”給這個 watcher（watcher.depend() 內部是對每個 watcher.deps 記錄的 dep 執行 dep.depend() 從而讓依賴數據與當前的 watcher 建立依賴關系）。

所以，依賴數據改變，依賴計算屬性的 watcher 會直接得到通知，再來獲取計算屬性的值的時候，計算屬性才進行計算求值。

所以，依賴計算屬性的 watcher 可以視為依賴 watcher 的 watcher。這樣的 watcher 在 Vue 中最常見不過，那就是 RenderWatcher。

 

RenderWatcher 及異步更新

相信讀過前文，你應該對 Vue 響應式原理有基本的認識。那么 Vue 是如何將其運用到視圖更新中的呢？答案就是這里要講的 RenderWatcher。

RenderWatcher 首先是 watcher，只不過和計算屬性對應的 ComputedWatcher 類似，它也有些特殊的行為。

RenderWatcher 的創建，在函數 mountComponent 中：

// Vue.prototype.$mount() -> mountComponent()
let updateComponent = () => {
  vm._update(vm._render(), hydrating)
}

new Watcher(vm, updateComponent, noop, null, true /* isRenderWatcher */)

 

核心代碼就在這里了。這個 watcher 就是 Vue 實例對象唯一的 RenderWatcher，在 watcher 構造函數中，會記錄到 vm._watcher 上（普通 watcher 只會記錄到 vm._watchers 數組中）。

這個 watcher 也會在創建的最后執行 watcher.get()，也就是執行 getter 收集依賴的過程。而在這里，getter 就是 updateComponent，也就是說，執行了渲染+更新 DOM！並且，這個過程中使用到的數據也被收集了依賴關系。

那么，理所當然地，在 render() 中使用到數據，發生改變，自然會通知到 RenderWatcher，從而最終更新視圖！

不過，這里會有個疑問：如果進行多次數據修改，那么豈不是要頻繁執行 DOM 更新？

這里就涉及到 RenderWatcher 的特殊功能了：異步更新。

結合前面內容，我們知道數據更新后，依賴該數據的 watcher 會執行 watcher.update()，這個在前文中沒有展開，現在我們來看下這個方法：

observer/watcher.js#L161

if (this.lazy) {
  this.dirty = true
} else if (this.sync) {
  this.run()
} else {
  queueWatcher(this)
}

 

第一種情況，lazy 為 true，也就是計算屬性，上一節已經提到過，只是標記 dirty 為 true，並不立即計算，不再贅述。sync 為 true 的情況，這里也不管，不過看起來也很簡單，就是立即執行計算嘛。

最后的情況，就是這里 RenderWatcher 的場景，並不立即執行，也不是像計算屬性那樣標記為 dirty 就完了，而是放到了一個隊列中。

這個隊列是干什么的呢？

相關代碼在 observer/scheduler.js 中，簡單來說，就是實現了異步更新。

理解其實現，首先要對瀏覽器的事件循環（Event Loop）機制有一定了解。如果你對事件循環機制不是很了解，可以看下面這篇文章：

JavaScript 運行機制詳解：

事件循環機制其實有點復雜，但只有理解事件循環，才能對這里 Vue 異步更新的方案有深入的認識。

基於事件循環機制，RenderWatcher 將其 getter，也就是 updateComponent 函數異步執行，並且，多次觸發

RenderWatcher 的 update()，最終也只會執行一次 updateComponent，這樣也就解決了性能問題。

不過，隨之而來的新問題是，修改完數據，不能直接反應到 DOM 上，而是要等異步更新執行過后才可以，這也是為什么 Vue 提供了 nextTick() 接口，並且要求開發者將對 DOM 的操作放到 nextTick() 回調中執行的原因。

 

Vuex、Vue-Router

再來看 Vue 套裝中的 Vuex、Vue-Router，它們也是基於 Vue 的響應式機制實現功能。

先來看 Vuex，代碼版本 v3.0.1。

Vuex

在應用了 Vuex 的應用中，所有組件都可以通過 this.$store 來引用到全局的 store，並且在使用了 store 的數據后，還能在數據改變后得到同步，這其實就是響應式的應用了。

首先看 this.$store 的實現，這個其實是通過全局 mixin 實現，代碼在：

src/mixin.js#L26

this.$store = options.store || options.parent.$store

 

這樣在每個組件的 beforeCreate 時，會執行 $store 屬性的初始化。

而 store 數據的響應式處理，則是通過實例化一個 Vue 對象實現：

src/store.js#L251

// new Store() -> resetStoreVM()
store._vm = new Vue({
  data: {
    $$state: state
  },
  computed // 對應 store.getters
})

 

結合前文的介紹，這里就很好理解了。因為 state 以及處理為響應式數據，而 getters 也創建為計算屬性，所以對這些數據的使用，就建立依賴關系，從而可以響應數據改變了。

 

Vue-Router

Vue-Router 中，比較重要的數據是 $route，即當前的頁面路由數據，在路由改變的時候，需要替換展示不同組件（router-view 組件實現）。

vm.$route 實踐上是來自 Vue.prototype，但其對應的值，最終對應到的是 router.history.current。

結合前面的分析，這里的 history.current 肯定得是響應式數據，所以，來找下對其進行初始化的地方，其實是在全局 mixin 的 beforeCreate 這里：

v2.8.1/src/install.js#L27

// beforeCreate
Vue.util.defineReactive(this, '_route', this._router.history.current)

這樣 this._route 就是響應式的了，那么如果頁面路由改變，又是如何修改這里的 _route 的呢？

答案在 VueRouter 的 init() 這里：

history.listen(route => {
  this.apps.forEach((app) => {
    app._route = route
  })
})

 

一個 router 對象可能和多個 vue 實例對象（這里叫作 app）關聯，每次路由改變會通知所有的實例對象。

再來看使用 vm.$route 的地方，也就是 VueRouter 的兩個組件：

兩個組件都是在 render() 中，與 $route 建立了依賴關系，根據 route 的值進行渲染。這里具體過程就不展開了，感興趣可以看下相關源碼（v2.8.1/src/components），原理方面在 RenderWatcher 一節已經介紹過。

 

實踐：watch-it

了解了以上這么多，也想自己試試，把 Vue 響應式相關的核心邏輯剝離出來，做一個單純的數據響應式的庫。由於只關注數據，所以在剝離過程中，將與 Vue 組件/實例對象相關的部分都移除了，包括 watcher.vm 也不再需要，這樣 watcher.getter 計算時不再指定上下文對象。

感興趣，想直接看代碼的，可以前往 luobotang/watch-it。

watch-it 只包括數據響應式相關的功能，暴露了4個接口：

1.defineReactive(obj, key, val)：為對象配置一個響應式數據屬性

2.observe(obj)：將一個數據對象配置為響應式，內部對所有的屬性執行 defineReactive

3.defineComputed(target, key, userDef)：為對象配置一個計算屬性，內部創建了 watcher

4.watch(fn, cb, options)：監聽求值函數中數據改變，變化時調用 cb，內部創建了 watcher

 

來看一個使用示例：

const { observe, watch } = require('@luobotang/watch-it')

const data = {
  name: 'luobo',
  age: 18
}

observe(data)

const userInfo = function() {
  return data.name + ' - ' + data.age
}

watch(userInfo, (value) => console.log(value))

 

這樣，當數據修改時，通過會打印出新的 userInfo 的值。