Vue3 渲染器的原理和实现

#vue #vue3

1. 总结
2. 何为渲染器？
3. 渲染器与响应式系统
4. 渲染的一些基本概念
5. 实现一个极简跨平台渲染器
- 5.1. 浏览器端
- 5.2. Nodejs 端
6. 如何挂载 子节点 及 子节点的属性
7. class属性 与 style 属性 的处理
8. 如何卸载一个节点
9. 为什么要区分 vnode 的类型 ?
10. 事件的处理
11. 事件冒泡与更新时机问题
12. 如何更新子节点
13. 文本节点与注释节点
14. Fragment

1. 总结

渲染器的作用是将 虚拟 DOM对象 渲染为 真实DOM元素
- 其核心在于更新时的 Diff 算法
如何实现一个==跨平台渲染器==，即不依赖于具体宿主
- 如浏览器的 DOM API
- 或 Node.js 端
- 或客户端等
- 或 ==小程序== 等
- 实现跨平台渲染器的关键是 将渲染操作抽象为可配置的对象
  - const renderer = createRenderer(创建元素方法、插入元素方法、设置文本方法等)
属性处理：
- 需要区分 HTML Attributes 和 DOM Properties
- 并正确处理特殊属性如 class 和 style。
事件处理采用特殊的设计来优化性能并解决事件冒泡和更新时机的问题
- on 开头的属性才需要处理
  - invokers：事件处理函数 用于处理事件回调函数
    - invokers[key]
      - key 代表 事件名称
    - 真正的事件 callback 存在 invokers.value 中
- ==规避性能问题==：比如更新事件时，直接更新 invokers.value 即可
  - 没必要每次都调用 removeEventListener 来移除上一次绑定的事件
==子节点更新==涉及多种情况，需要正确处理新旧节点的变化
- 一共==六种情况==
  - 6种情况：【新节点、老节点】 * 【文本节点、一组节点、null】
特殊节点如文本节点、注释节点和 Fragment 需要特殊处理
- 使用 symbol
Vue3 的渲染器设计考虑了性能优化、跨平台兼容性和特殊场景的处理
渲染器的实现涉及多个方面，包括挂载、更新、卸载等操作的细节处理
- 比如==卸载时==，需要执行相应的钩子函数
Fragment 的存在简化了组件的结构
- 类似于 React 的空标签或 Fragment 组件
- 在挂载、更新、卸载操作是，不处理它本身，==只处理它的子节点==即可

2. 何为渲染器？

以浏览器平台来说，如下的rendere r函数就是一个渲染器 。

function renderer(domString, container) {
  container.innerHTML = domString
}

renderer(`<h1>hello app</h1>`, document.getElementById('app'));

渲染器的作用是，把虚拟DOM 对象渲染为真实 DOM元素
它的工作原理是
- 递归地遍历虛拟DOM对象，并调用原生 DOM API 来完成真实 DOM 的创建
渲染器的精髓在于后续的更新
- 它会通过 ==Diff 算法== 找出变更点，并且只会更新需要更新的内容

3. 渲染器与响应式系统

即结合 响应式能力，实现 自动调用渲染器完成渲染和更新

即变量变了，UI 主动更新

如下代码，使用 effect, ref 两个变量。


<div id="app"></div>

<script src="https://unpkg.com/@vue/reactivity@3.0.5/dist/reactivity.global.js"></script>

<script>

// ::::暴露的全局 API
const { effect, ref } = VueReactivity; 

function renderer(domString, container) {
  container.innerHTML = domString
}

const count = ref(1)

effect(() => {
  renderer(`<h1>${count.value}</h1>`, document.getElementById('app'))
})

count.value++

// 2s后更新
setTimeout(() => {
    count.value++;
},2000)

</script>

4. 渲染的一些基本概念

渲染器与渲染
- 名词和动词的区别
挂载
- 即 mount ，将 虚拟 DOM 渲染成 真实 DOM 节点
容器
- 即渲染到哪儿？

下面来看一个如何实现一个渲染器函数

createRender

<div id="app"></div>

<script src="https://unpkg.com/@vue/reactivity@3.0.5/dist/reactivity.global.js"></script>

<script>
    function createRenderer() {
        /**
         * @desc 补丁函数
         * @param {VNode} oldNode 旧的 VNode
         * @param {VNode} newNode 新的 VNode
         * @param {HTMLElement} container 容器
         * */
        function patch(oldNode, newNode, container) {
        
        }
        function render(vnode, container) {
	        // 新 vnode 存在，将其与旧 vnode 一起传递给 patch 函数进行打补丁
            if (vnode) {
                patch(container._vnode, vnode, container);
            } else {
                if (container._vnode) { // 卸载操作
                    // 旧 vnode 存在，且新 vnode 不存在，说明是 卸载(unmount)操作
                    // 只需要将 container 内的 DOM 清空即可
                    container.innerHTML = ''
                }
            }
            // 把 vnode 存储到 container._vnode 下，即后续渲染中的旧 vnode
            container._vnode = vnode
        }
        // 服务端渲染时会用到
        function hydrate() {
        
        }
        return {
            render,
            hydrate
        }
    }
    
    const renderer = createRenderer()
    // 三次渲染，都渲染到#app上 
    // 首次渲染
    renderer.render(vnode1, document.querySelector('#app'))
    // 第二次渲染
    renderer.render(vnode2, document.querySelector('#app'))
    // 第三次渲染
    renderer.render(null, document.querySelector('#app'))
    
</script>

5. 实现一个极简跨平台渲染器

如何实现一个渲染器，即不依赖于具体宿主
- 如浏览器的 DOM API
- 或 Node.js 端
- 或客户端等
- 或 ==小程序== 等

function createRenderer(options) {
    // ::::为了实现跨平台，将渲染器的操作抽象为 options 对象::::
    // 如：创建元素 createElement，
    // 如：设置元素文本 setElementText
    // 如：插入元素 insert
    const {
        createElement,
        insert,
        setElementText
    } = options;
    
    function mountElement(vnode, container) {
        
        // 这里的 createElement 依赖于具体宿主
        const el = createElement(vnode.type)
        
        // 说明是文本内容，调用 setElementText 插入
        if (typeof vnode.children === 'string') {
            setElementText(el, vnode.children)
        }
        
        insert(el, container)
    }
    
    function patch(n1, n2, container) {
        // 真正的挂载操作
        if (!n1) {
            mountElement(n2, container)
        } else {
            // n1 存在，这里需要打补丁
        }
    }
    
    function render(vnode, container) {
        if (vnode) {
            // 新 vnode 存在，将其与旧 vnode 一起传递给 patch 函数进行打补丁
            patch(container._vnode, vnode, container)
        } else {
            if (container._vnode) {
                // 旧 vnode 存在，且新 vnode 不存在，说明是卸载(unmount)操作
                // 只需要将 container 内的 DOM 清空即可
                container.innerHTML = ''
            }
        }
        // 把 vnode 存储到 container._vnode 下，即后续渲染中的旧 vnode
        container._vnode = vnode
    }
    
    return {
        render
    }
}

上面代码把创建、修改、及删除操作等抽象成可配置的对象

5.1. 浏览器端

比如在浏览器环境下，调用浏览器特定的 DOM API ，如下代码：

const renderer = createRenderer({
  createElement(tag) {
    return document.createElement(tag)
  },
  setElementText(el, text) {
    el.textContent = text
  },
  insert(el, parent, anchor = null) {
    parent.insertBefore(el, anchor)
  }
})

const vnode = {
    type: 'h1',
    children: 'hello'
}

renderer.render(vnode, document.querySelector('#app'))

5.2. Nodejs 端

而在 Nodejs 环境下，如下代码：


const renderer2 = createRenderer({
    createElement(tag) {
        console.log(`创建元素 ${tag}`)
        return {tag}
    },
    setElementText(el, text) {
        console.log(`设置 ${JSON.stringify(el)} 的文本内容：${text}`)
        el.text = text
    },
    insert(el, parent, anchor = null) {
        console.log(`将${JSON.stringify(el)}添加到${JSON.stringify(parent)} 下`)
        parent.children = el
    }
});

const container = {type: 'root'};
renderer2.render(vnode, container);

6. 如何挂载 `子节点` 及 `子节点的属性`

6.1. 首先看如何挂载子节点

以下是是一个能够跑起来的 最简易的 DEMO :

<div id="app"></div>

<script src="https://unpkg.com/@vue/reactivity@3.0.5/dist/reactivity.global.js"></script>

<script>
    function createRenderer(options) {
        const {
            createElement,
            insert,
            setElementText
        } = options
        function mountElement(vnode, container) {
            const el = createElement(vnode.type)
            if (typeof vnode.children === 'string') {
                setElementText(el, vnode.children)
                // 递归渲染子节点即可
            } else if (Array.isArray(vnode.children)) {
                vnode.children.forEach(child => {
                    patch(null, child, el)
                })
            }
            // 设置属性
            if (vnode.props) {
                for (const key in vnode.props) {
                    el.setAttribute(key, vnode.props[key])
                }
            }
            // 插入到容器中
            insert(el, container)
        }
        function patch(n1, n2, container) {
            if (!n1) {
                mountElement(n2, container)
            } else {
                // // ::::补丁逻辑
            }
        }

        function render(vnode, container) {
            if (vnode) {
                // 新 vnode 存在，将其与旧 vnode 一起传递给 patch 函数进行打补丁
                patch(container._vnode, vnode, container)
            } else {
                if (container._vnode) {
                    // 旧 vnode 存在，且新 vnode 不存在，说明是卸载(unmount)操作
                    // 只需要将 container 内的 DOM 清空即可
                    container.innerHTML = ''
                }
            }
            // 把 vnode 存储到 container._vnode 下，即后续渲染中的旧 vnode
            container._vnode = vnode
        }

        return {
            render
        }
    }
    const renderer = createRenderer({
        createElement(tag) {
            return document.createElement(tag)
        },
        setElementText(el, text) {
            el.textContent = text
        },
        insert(el, parent, anchor = null) {
            parent.insertBefore(el, anchor)
        }
    })
    const vnode = {
        type: 'div',
        props: {
            id: 'foo'
        },
        children: [
            {
                type: 'p',
                children: 'p tag'
            },
            {
                type: 'h1',
                children: 'H1 tag'
            },
            {
                type: 'div',
                children: [
                    {
                        type: 'span',
                        children: 'div > span > tag'
                    }
                ]
            }
        ]
    }
    renderer.render(vnode, document.querySelector('#app'))

</script>

下图是最终渲染的效果：

两个注意点：

递归逻辑：如果存在 children 则接着遍历
设置属性使用 el.setAttribute(key,value)
- 我们也可以使用 el[key] = value 的方式
- 但是，为元素设置属性比想象中的更复杂得多

下面先区分 HTML Attributes 和 DOM Properities

6.2. `HTML Attributes` 和 `DOM Properities` 不一样

浏览器解析完以下 HTML代码段 后，会创建以之相符的 DOM 元素对象 ，比如

id="app" 对应 el.id
class="green" 对应 el.className ，说明两者并不是一一对应的。

<div id="app" class="green"></div>

<div data-a="3" mmm="asdf" draggable="true"></div>

<form id="aaa"></form>

又比如下面的 HTML 片段，把 foo 改成 bar

<!-- 如果 foo 改成 bar -->
<input value="foo" form="aaa"/>

el.getAttribute('value') 和 el.defaultValue 始终是 foo
只有 el.value 为修改的值

又比如修改上面 input 的 type 值： el.type = 'xxx' ，浏览器会==矫正==这个不合法的 xxx 为 text

[!abstract]

综上： HTML Attributes 是为 DOM Properities设置初始值的

6.3. 如何正常的设置属性

比如如下 vnode

disabled 需要处理成布尔值

const vnode = {
  type: 'button',
  props: {
    disabled: '' // 需要处理成 false 
  },
  children: 'Button'
}

// form 是只读的，只能通过 setAttribute 来设置
function shouldSetAsProps(el, key, value) {
  if (key === 'form' && el.tagName === 'INPUT') return false
  return key in el
}

// 省略了很多逻辑
if (vnode.props) {
  for (const key in vnode.props) {
	patchProps(el, key, null, vnode.props[key])
  }
}

// 下面是传入的 patchProp 的场景
patchProps(el, key, preValue, nextValue) {
    if (shouldSetAsProps(el, key, nextValue)) {
      const type = typeof el[key];
      // 兼容 el.disabled = false 这种情况, 以及 el.disabled = '' 这种情况
      if (type === 'boolean' && nextValue === '') {
        el[key] = true
      } else {
        el[key] = nextValue
      }
    } else {
      el.setAttribute(key, nextValue)
    }
  }

上面代码展示了如何正确设置属性，即根据不同的标签类型，使用不同的设置属性的方法，另外需要关注下更新前后的值，如 preValue, nextValue

上面代码只展示了关键逻辑部分

7. `class属性` 与 `style 属性` 的处理

如下节点，我们希望挂载子节点的 class 属性，并且做增强

const vnode = {
  type: 'p',
  props: {
    class: 'foo bar baz',
    class: {'foo': true},
    class: ['foo bar baz','abc'],
  },
  children: 'text'
}

主要逻辑如下：

  patchProps(el, key, preValue, nextValue) {
    //************** here 这里  ************//
    if (key === 'class') {
      el.className = nextValue
    } else if (shouldSetAsProps(el, key, nextValue)) {
      const type = typeof el[key]
      if (type === 'boolean' && nextValue === '') {
        el[key] = true
      } else {
        el[key] = nextValue
      }
    } else {
      el.setAttribute(key, nextValue)
    }
  }

这里为什么要使用 className ，
- 而不是 el.classList 和setAttribute('class','xxxx')
  - 因为性能更优

另外，vue 也对 style 属性做了些增强，支持 对象和字符串

8. 如何卸载一个节点

前面，我们自己通过 InnerHTML 的方式来卸载，有以下问题

这个组件可能由多个组件组成，没办法细粒度的控制每个组件的卸载，即不能正确调用 钩子生命周期函数，如 beforeUnmount 或者 unmounted 等
有些元素存在指令，卸载时，应该正确执行对应的 指令钩子函数
没法正确移除 DOM 上绑定的事件

所以，我们需要通过以下方式来实现：

function unmount(vnode) {
    const parent = vnode.el.parentNode
    if (parent) {
        parent.removeChild(vnode.el)
    }
    // 在这里，我们可以调用该节点树下的指令钩子函数 和 生命周期函数
}

function render(vnode, container) {
    if (vnode) {
        patch(container._vnode, vnode, container)
    } else {
        if (container._vnode) {
            // 旧 vnode 存在，且新 vnode 不存在，说明是卸载(unmount)操作
            unmount(container._vnode)
        }
    }
    // 把 vnode 存储到 container._vnode 下，即 后续渲染中的旧 vnode
    container._vnode = vnode
}

单独提出 unmount ，好处是：我们可以调用该节点树下的指令钩子函数和生命周期函数

[!info]
其实，卸载时，真正还有很多事情要搞，比如遍历 虚拟 DOM树节点，递归卸载子元素等等，这里只是给了一个简单的说明

9. 为什么要区分 vnode 的类型 ?

看下面一个例子：

const vnode = {
    type: 'p',
    props: {
        class: 'foo bar baz'
    },
    children: 'text'
}
renderer.render(vnode, document.querySelector('#app'))

const newVnode = {
    type: 'div',
    props: {
        id: 'foo'
    },
    children: 'hello'
}

setTimeout(() => {
    renderer.render(newVnode, document.querySelector('#app'))
}, 1000);

我们发现 vnode 的 type 值都发生变化了，由 p 变成 div ，这个时候，还需要打补丁吗？

是的
- ① 应该先把 p 挂载
- ② 然后再将 div 挂载
如下代码：

function patch(n1, n2, container) {
    // 类型不同，直接卸载
    if (n1 && n1.type !== n2.type) {
        unmount(n1);
        n1 = null
    }
    // 挂载新的 vnode 
    const {type} = n2
    if (typeof type === 'string') {
        if (!n1) {
            mountElement(n2, container)
        } else {
            patchElement(n1, n2)
        }
    // 如果是 Object ，需要再特殊处理,递归处理	
    } else if (typeof type === 'object') {
        // 组件
    }
}

如果是 Object ，需要调用 mountComponent 和 patchComponent 来继续递归处理，直到遇到普通的标签元素，如 div

下面是对具体元素打补丁的逻辑：

function patchElement(n1, n2) {
    const el = n2.el = n1.el
    const oldProps = n1.props
    const newProps = n2.props;
    
    // 对【新添加的元素属性】打补丁
    for (const key in newProps) {
        if (newProps[key] !== oldProps[key]) {
            patchProps(el, key, oldProps[key], newProps[key])
        }
    }
    // 对 【旧的的元素属性】 打补丁
    for (const key in oldProps) {
        if (!(key in newProps)) {
            patchProps(el, key, oldProps[key], null)
        }
    }
}

10. 事件的处理

事件只是 DOM 上的一个属性，所以当做特殊的 props 来处理

如何给 vnode 绑定事件呢？比如如 虚拟节点

const vnode = {
    type: 'p',
    props: {
        onClick: [
            () => {
                alert('clicked 1')
            },
            () => {
                alert('clicked 2')
            }
        ]
    },
    children: 'text'
}

我们直接来看代码实现，后面再说明为什么这么设计？

patchProps(el, key, prevValue, nextValue) {
    if (/^on/.test(key)) {
        const invokers = el._vei || (el._vei = {})
        let invoker = invokers[key]
        const name = key.slice(2).toLowerCase()
        if (nextValue) {
            if (!invoker) {
                invoker = el._vei[key] = (e) => {
                    if (Array.isArray(invoker.value)) {
                        invoker.value.forEach(fn => fn(e))
                    } else {
                        invoker.value(e)
                    }
                }
                invoker.value = nextValue
                el.addEventListener(name, invoker)
            } else {
                invoker.value = nextValue
            }
        } else if (invoker) {
            el.removeEventListener(name, invoker)
        }
    } else if (key === 'class') {
        
    } else if (shouldSetAsProps(el, key, nextValue)) {
        
    } else {
        
    }
}
})

说明：

on 开头的属性才需要处理
- invokers：事件处理函数 用于处理事件回调函数
- 真正的事件 callback 存在 invokers.value 中
问：为什么要这样
- 解决性能问题
  - 比如更新事件时，直接更新 invokers.value 即可
    - 没必要每次都调用 removeEventListener 来移除上一次绑定的事件？
- el._vei[key] 中存储着所有事件信息，它的数据结构可能是一个数组，比如同一事件如 click 有多个回调 callback，所以才有 invoker.value.forEach(fn => fn(e))
- 它还能解决事件冒泡和更新相互冲突的问题，见下面

11. 事件冒泡与更新时机问题

看如下代码：

const {effect, ref} = VueReactivity
const bol = ref(false)

effect(() => {
    const vnode = {
        type: 'div',
        props: bol.value ? {
            onClick: () => { 
                alert('父元素 clicked')
            }
        } : {},
        children: [
            {
                type: 'p',
                props: {
                    onClick: () => {
                        bol.value = true
                    }
                },
                children: 'text'
            }
        ]
    }
    renderer.render(vnode, document.querySelector('#app'))
})

一开始 bol 为 false，

所以 div 没有回调事件， p 有回调，所以 正常预期 是点击 p 元素，冒泡到 div , 不 alert。
但是，竟然执行了，为什么呢？
- 因为 bol 是响应数据，变化了会导致副作用执行，然后就给 div 绑定了事件；

如何解决呢？符合正常预期。如下代码：

|616

即，屏蔽所有绑定时间晚于真正执行时间的执行。

12. 如何更新子节点

6种情况：【新节点、老节点】 * 【文本节点、一组节点、null】

需要在特定情况调用 旧节点卸载操作 和 新加节点的挂载操作 ，如下代码：


function patchChildren(oldNode, newNode, container) {
    // 新节点是否是文本节点
    if (typeof newNode.children === 'string') {
        // 老节点是仅在是是一组节点时，才需要遍历卸载
        if (Array.isArray(oldNode.children)) {
            oldNode.children.forEach((c) => unmount(c))
        }
        setElementText(container, newNode.children)
    // 新节点是一组节点
    } else if (Array.isArray(newNode.children)) {
        // 老节点是一组节点
        if (Array.isArray(oldNode.children)) {
            oldNode.children.forEach(c => unmount(c))
            newNode.children.forEach(c => patch(null, c, container))
        } else {
            setElementText(container, '')
            newNode.children.forEach(c => patch(null, c, container))
        }
    } else {
        if (Array.isArray(oldNode.children)) {
            oldNode.children.forEach(c => unmount(c))
        } else if (typeof oldNode.children === 'string') {
            setElementText(container, '')
        }
    }
}

其实上面代码很简单粗暴，比如，如果旧节点是一组节点，简单粗暴的全部卸载，再全部挂载新节点操作；

其实更好的方式是 使用 Diff 算法，最大可能利用，以提高性能。

13. 文本节点与注释节点

文本节点：
- 用于表示纯文本
注释节点：
- 用于在HTML中添加注释，这些注释不会显示在页面上但可能对开发者有帮助。
如何使用 vnode 描述真实场景中的 文本节点 与 注释节点 ？
- 答案是：使用 Symbol() ，如下代码：
  - 使用 Symbol 的原因：
    - Symbol 是 JavaScript 中的一种基本数据类型，用于创建唯一的标识符。
    - 通过使用 Symbol，我们可以创建独特的标识来代表文本节点和注释节点。
  - 使用 Symbol 的优势，我们可以清晰且安全地在虚拟DOM中定义和==区分不同类型的节点==
    - 统一的节点表示方式
    - 清晰的类型区分
    - 易于在渲染过程中进行特殊处理

const Text = Symbol();
const Comment = Symbol();

const vnode1 = {
  type: Text,
  children: 'Some Text'
}

const vnode2 = {
  type: Comment,
  children: 'Some Comment'
}

然后根据具体节点类型，在挂载、更新、卸载等操作时根据具体情况处理即可。

14. Fragment

存在的意义是什么？其实就是类似于React 的 <></> 和 <fragment>

如下 vnode ：

const Fragment = Symbol()
const newVnode = {
  type: 'div',
  children: [
    {
      type: Fragment,
      children: [
        { type: 'p', children: 'text 1' },
        { type: 'p', children: 'text 2' },
        { type: 'p', children: 'text 3' }
      ]
    },
    { type: 'section', children: '分割线' }
  ]
}

在挂载、更新、卸载操作是，不处理它本身，只处理它的子节点即可

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