浅谈React的最大亮点之虚拟DOM


            在Web开发中，需要将数据的变化实时反映到UI上，这时就需要对DOM进行操作，但是复杂或频繁的DOM操作通常是性能瓶颈产生的原因，为此，React引入了虚拟DOM（Virtual DOM）的机制。



一、什么是虚拟DOM？



在React中，render执行的结果得到的并不是真正的DOM节点，结果仅仅是轻量级的JavaScript对象，我们称之为virtual DOM。



虚拟DOM是React的一大亮点，具有batching(批处理)和高效的Diff算法。这让我们可以无需担心性能问题而”毫无顾忌”的随时“刷新”整个页面，由虚拟 DOM来确保只对界面上真正变化的部分进行实际的DOM操作。在实际开发中基本无需关心虚拟DOM是如何运作的，但是理解其运行机制不仅有助于更好的理解React组件的生命周期，而且对于进一步优化 React程序也会有很大帮助。



二、虚拟DOM VS 直接操作原生DOM？



如果没有 Virtual DOM，简单来说就是直接重置 innerHTML。这样操作，在一个大型列表所有数据都变了的情况下，还算是合理，但是，当只有一行数据发生变化时，它也需要重置整个 innerHTML，这时候显然就造成了大量浪费。



比较innerHTML 和Virtual DOM 的重绘过程如下：



innerHTML: render html string + 重新创建所有 DOM 元素



Virtual DOM: render Virtual DOM + diff + 必要的 DOM 更新



和 DOM 操作比起来，js 计算是非常便宜的。Virtual DOM render + diff 显然比渲染 html 字符串要慢，但是，它依然是纯 js 层面的计算，比起后面的 DOM 操作来说，依然便宜了太多。当然，曾有人做过验证说React的性能不如直接操作真实DOM，代码如下：





function Raw() {

  var data = _buildData(),

    html = "";

  ...

  for(var i=0; i<data.length; i++) {

    var render = template;

    render = render.replace("{{className}}", "");

    render = render.replace("{{label}}", data[i].label);

    html += render;

  }

  ...

  container.innerHTML = html;

  ...

}



该测试用例中虽然构造了一个包含1000个Tag的String，并把它添加到DOM树中，但是只做了一次DOM操作。然而，在实际开发过程中，这1000个元素更新可能分布在20个逻辑块中，每个逻辑块中包含50个元素，当页面需要更新时，都会引起DOM树的更新，上述代码就近似变成了如下格式：





function Raw() {

  var data = _buildData(), 

    html = ""; 

  ... 

  for(var i=0; i<data.length; i++) { 

    var render = template; 

    render = render.replace("{{className}}", ""); 

    render = render.replace("{{label}}", data[i].label); 

    html += render; 

    if(!(i % 50)) {

      container.innerHTML = html;

    }

  } 

  ... 

}





这样来看，React的性能就远胜于原生DOM操作了。



而且，DOM 完全不属于Javascript (也不在Javascript 引擎中存在).。Javascript 其实是一个非常独立的引擎，DOM其实是浏览器引出的一组让Javascript操作HTML文档的API而已。在即时编译的时代，调用DOM的开销是很大的。而Virtual DOM的执行完全都在Javascript 引擎中，完全不会有这个开销。



React.js 相对于直接操作原生DOM有很大的性能优势， 很大程度上都要归功于virtual DOM的batching 和diff。batching把所有的DOM操作搜集起来，一次性提交给真实的DOM。diff算法时间复杂度也从标准的的Diff算法的O(n^3)降到了O(n)。这里留到下一次博客单独讲。



三、虚拟DOM VS MVVM？



相比起 React，其他 MVVM 系框架比如 Angular, Knockout 以及 Vue、Avalon 采用的都是数据绑定：通过 Directive/Binding 对象，观察数据变化并保留对实际 DOM 元素的引用，当有数据变化时进行对应的操作。MVVM 的变化检查是数据层面的，而 React 的检查是 DOM 结构层面的。MVVM 的性能也根据变动检测的实现原理有所不同：Angular 的脏检查使得任何变动都有固定的 O(watcher count) 的代价；Knockout/Vue/Avalon 都采用了依赖收集，在 js 和 DOM 层面都是 O(change)：



  脏检查：scope digest + 必要 DOM 更新

  依赖收集：重新收集依赖 + 必要 DOM 更新



可以看到，Angular 最不效率的地方在于任何小变动都有的和 watcher 数量相关的性能代价。但是！当所有数据都变了的时候，Angular 其实并不吃亏。依赖收集在初始化和数据变化的时候都需要重新收集依赖，这个代价在小量更新的时候几乎可以忽略，但在数据量庞大的时候也会产生一定的消耗。



MVVM 渲染列表的时候，由于每一行都有自己的数据作用域，所以通常都是每一行有一个对应的 ViewModel 实例，或者是一个稍微轻量一些的利用原型继承的 "scope" 对象，但也有一定的代价。所以，MVVM 列表渲染的初始化几乎一定比 React 慢，因为创建 ViewModel / scope 实例比起 Virtual DOM 来说要昂贵很多。这里所有 MVVM 实现的一个共同问题就是在列表渲染的数据源变动时，尤其是当数据是全新的对象时，如何有效地复用已经创建的 ViewModel 实例和 DOM 元素。假如没有任何复用方面的优化，由于数据是 “全新” 的，MVVM 实际上需要销毁之前的所有实例，重新创建所有实例，最后再进行一次渲染！这就是为什么题目里链接的 angular/knockout 实现都相对比较慢。相比之下，React 的变动检查由于是 DOM 结构层面的，即使是全新的数据，只要最后渲染结果没变，那么就不需要做无用功。



Angular 和 Vue 都提供了列表重绘的优化机制，也就是 “提示” 框架如何有效地复用实例和 DOM 元素。比如数据库里的同一个对象，在两次前端 API 调用里面会成为不同的对象，但是它们依然有一样的 uid。这时候你就可以提示 track by uid 来让 Angular 知道，这两个对象其实是同一份数据。那么原来这份数据对应的实例和 DOM 元素都可以复用，只需要更新变动了的部分。或者，你也可以直接 track by $index 来进行 “原地复用”：直接根据在数组里的位置进行复用。在题目给出的例子里，如果 angular 实现加上 track by $index 的话，后续重绘是不会比 React 慢多少的。甚至在 dbmonster 测试中，Angular 和 Vue 用了 track by $index 以后都比 React 快: dbmon (注意 Angular 默认版本无优化，优化过的在下面）



在比较性能的时候，要分清楚初始渲染、小量数据更新、大量数据更新这些不同的场合。Virtual DOM、脏检查 MVVM、数据收集 MVVM 在不同场合各有不同的表现和不同的优化需求。Virtual DOM 为了提升小量数据更新时的性能，也需要针对性的优化，比如 shouldComponentUpdate 或是 immutable data。



  初始渲染：Virtual DOM > 脏检查 >= 依赖收集

  小量数据更新：依赖收集 >> Virtual DOM + 优化 > 脏检查（无法优化） > Virtual DOM 无优化

  大量数据更新：脏检查 + 优化 >= 依赖收集 + 优化 > Virtual DOM（无法/无需优化）>> MVVM 无优化

  （该段落借鉴了知乎的相关回答）



四、对React虚拟DOM的误解？

React 从来没有说过 “React 比原生操作 DOM 快”。React给我们的保证是，在不需要手动优化的情况下，它依然可以给我们提供过得去的性能。



React掩盖了底层的 DOM 操作，可以用更声明式的方式来描述我们目的，从而让代码更容易维护。下面还是借鉴了知乎上的回答：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。针对任何一个 benchmark，我都可以写出比任何框架更快的手动优化，但是那有什么意义呢？在构建一个实际应用的时候，你难道为每一个地方都去做手动优化吗？出于可维护性的考虑，这显然不可能。



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