1. 什么是虚拟DOM
在浏览器中，HTML页面由基本的DOM树组成，当其中一部分发生变化时，其实就是对应某个DOM节点发生了变化，当DOM节点发生变化时就会触发对应的重绘或者重排，当过多的重绘和重排在短时间内发生时，就可能会引起页面卡顿，所以改变DOM是有一些代价的，如何优化DOM变化的次数以及在合适的时机改变DOM就是开发者需要注意的事情。
虚拟DOM就是为了解决上述浏览器性能问题而被设计出来的。当一次操作中有10次更新DOM的动作时，虚拟DOM不会立即操作DOM，而是和原本的DOM进行对比，将这10次更新的变化部分内容保存到内存中，最终一次性地应用在DOM树上，再进行后续操作，避免大量无谓的计算量。
虚拟DOM实际上就是采用JavaScript对象来存储DOM节点的信息，将DOM的更新变成对象的修改，并且这些修改计算在内存中发生，当修改完成后，再将JavaScript转换成真实的DOM节点，交给浏览器，从而达到性能的提升。
例如以下dom节点
<div id="app">
<p class="text">Hello</p>
</div>
转成一般的虚拟dom结构如下：
{
tag:'div',
props: {
id: 'app'
},
chidren:[
{
tag: 'p',
props: {
className : 'text'
},
chidren:[
'Hello'
]
}
]
}
这是一个简单的虚拟dom结构，vue3中真实的虚拟Dom比这复杂多了。
2. Vue 3虚拟DOM
在Vue中，我们写在<template>标签内的内容都属于DOM节点，这部分内容最终会被转换成Vue中的虚拟DOM对象VNode，其中的步骤比较复杂，主要有以下几个过程：
- 抽取<template>内容进行编译。
- 得到抽象语法树（Abstract Syntax Tree, AST），并生成render方法。
- 执行render方法得到VNode对象。
- VNode转换为真实DOM并渲染到页面中。
以一个简单的demo为例，demo代码如下：
<div id="app">
<div>
{{name}}
</div>
<p>123</p>
</div>
Vue.createApp({
data(){
return {
name : 'abc'
}
}
}).mount("#app")
上面的代码中，data中定义了一个响应式数据name，在template中使用插值表达式{{name}}进行展示，还有一个静态节点<p>123</p>。
3. 获取<template>的内容
我们看下createApp的源码： packages\runtime-dom\src\
export const createApp = ((...args) => {
const app = ensureRenderer().createApp(...args)
if (__DEV__) {
injectNativeTagCheck(app)
injectCompilerOptionsCheck(app)
}
const { mount } = app
app.mount = (containerOrSelector: Element | ShadowRoot | string): any => {
const container = normalizeContainer(containerOrSelector)
if (!container) return
const component = app._component
if (!isFunction(component) && !component.render && !component.template) {
// __UNSAFE__
// Reason: potential execution of JS expressions in in-DOM template.
// The user must make sure the in-DOM template is trusted. If it's
// rendered by the server, the template should not contain any user data.
component.template = container.innerHTML
// 2.x compat check
if (__COMPAT__ && __DEV__) {
for (let i = 0; i < container.attributes.length; i++) {
const attr = container.attributes[i]
if (attr.name !== 'v-cloak' && /^(v-|:|@)/.test(attr.name)) {
compatUtils.warnDeprecation(
DeprecationTypes.GLOBAL_MOUNT_CONTAINER,
null
)
break
}
}
}
}
// clear content before mounting
container.innerHTML = ''
const proxy = mount(container, false, container instanceof SVGElement)
if (container instanceof Element) {
container.removeAttribute('v-cloak')
container.setAttribute('data-v-app', '')
}
return proxy
}
return app
}) as CreateAppFunction<Element>
对于根组件来说，<template>的内容由挂载的#app元素里面的内容组成，如果项目采用npm和Vue Cli+Webpack这种前端工程化的方式，那么对于<template>的内容，主要由对应的loader在构建时对文件进行处理来获取，这和在浏览器运行时的处理方式是不一样的。
4. 生成AST
在得到<template>后，就依据内容生成AST。AST是源代码语法结构的一种抽象表示。它以树状的形式表现编程语言的语法结构，树上的每个节点都表示源代码中的一种结构。之所以说语法是“抽象”的，是因为这里的语法并不会表示出真实语法中出现的每个细节。比如，嵌套括号被隐含在树的结构中，并没有以节点的形式呈现而类似于if-condition-then这样的条件跳转语句，可以使用带有三个分支的节点来表示。代码如下：
while b ≠ 0
if a > b
a := a ? b
else
b := b ? a
return a
将上述代码转换成广泛意义上的语法树:
AST
对于<template>的内容，其大部分是由DOM组成的，但是也会有if-condition-then这样的条件语句，例如v-if、v-for指令等。在Vue 3中，这部分逻辑在源码packages\compiler-core\src\compile.ts的baseCompile方法中，核心代码如下：
export function baseCompile(
template: string | RootNode,
options: CompilerOptions = {}
): CodegenResult {
const onError = options.onError || defaultOnError
const isModuleMode = options.mode === 'module'
/* istanbul ignore if */
if (__BROWSER__) {
if (options.prefixIdentifiers === true) {
onError(createCompilerError(ErrorCodes.X_PREFIX_ID_NOT_SUPPORTED))
} else if (isModuleMode) {
onError(createCompilerError(ErrorCodes.X_MODULE_MODE_NOT_SUPPORTED))
}
}
const prefixIdentifiers =
!__BROWSER__ && (options.prefixIdentifiers === true || isModuleMode)
if (!prefixIdentifiers && options.cacheHandlers) {
onError(createCompilerError(ErrorCodes.X_CACHE_HANDLER_NOT_SUPPORTED))
}
if (options.scopeId && !isModuleMode) {
onError(createCompilerError(ErrorCodes.X_SCOPE_ID_NOT_SUPPORTED))
}
// 通过template生成AST结构
const ast = isString(template) ? baseParse(template, options) : template
const [nodeTransforms, directiveTransforms] =
getBaseTransformPreset(prefixIdentifiers)
if (!__BROWSER__ && options.isTS) {
const { expressionPlugins } = options
if (!expressionPlugins || !expressionPlugins.includes('typescript')) {
options.expressionPlugins = [...(expressionPlugins || []), 'typescript']
}
}
//转换
transform(
ast,
extend({}, options, {
prefixIdentifiers,
nodeTransforms: [
...nodeTransforms,
...(options.nodeTransforms || []) // user transforms
],
directiveTransforms: extend(
{},
directiveTransforms,
options.directiveTransforms || {} // user transforms
)
})
)
return generate(
ast,
extend({}, options, {
prefixIdentifiers
})
)
}
baseCompile方法主要做了以下事情：
- 生成Vue中的AST对象。
- 将AST对象作为参数传入transform函数，进行转换。
- 将转换后的AST对象作为参数传入generate函数，生成render函数。
baseParse方法用来创建AST对象。
export function baseParse(
content: string,
options: ParserOptions = {}
): RootNode {
const context = createParserContext(content, options)
const start = getCursor(context)
return createRoot(
parseChildren(context, TextModes.DATA, []),
getSelection(context, start)
)
}
在Vue 3中，AST对象是一个RootNode类型的树状结构，在源码packages\compiler-core\src\ast.ts中，其结构如下：
export function createRoot(
children: TemplateChildNode[],
loc = locStub
): RootNode {
return {
type: NodeTypes.ROOT, //元素类型
children, //子元素
helpers: new Set(),//帮助函数
components: [], //子组件
directives: [], //指令
hoists: [], //表示静态节点
imports: [],
cached: 0,//缓存标志位
temps: 0,
codegenNode: undefined,//存储生成render函数的字符串
loc //描述元素在AST的位置信息
}
}
其中，children存储的是后代元素节点的数据，这就构成一个AST结构，type表示元素的类型NodeType，主要分为HTML普通类型和Vue指令类型等，常见的有以下几种：
ROOT, // 根元素 0
ELEMENT, // 普通元素 1
TEXT, // 文本元素 2
COMMENT, // 注释元素 3
SIMPLE_EXPRESSION, // 表达式 4
INTERPOLATION, // 插值表达式 {{ }} 5
ATTRIBUTE, // 属性 6
DIRECTIVE, // 指令 7
IF, // if节点 9
JS_CALL_EXPRESSION, // 方法调用 14
hoists是一个数组，用来存储一些可以静态提升的元素，在后面的transform会将静态元素和响应式元素分开创建，这也是Vue 3中优化的体现；codegenNode则用来存储最终生成的render方法的字符串；loc表示元素在AST的位置信息。
在生成AST时，Vue 3在解析<template>内容时会用一个栈来保存解析到的元素标签。当它遇到开始标签时，会将这个标签推入栈，遇到结束标签时，将刚才的标签弹出栈。它的作用是保存当前已经解析了但还没解析完的元素标签。这个栈还有另一个作用，在解析到某个字节点时，通过stack[stack.length - 1]可以获取它的父元素。
demo代码中生成的AST如下图。
AST
5. 生成render方法字符串
在得到AST对象后，会进入transform方法，在源码packages\compiler-core\src\transform.ts中，其核心代码如下：
export function transform(root: RootNode, options: TransformOptions) {
// 数据组装
const context = createTransformContext(root, options)
// 转换代码
traverseNode(root, context)
// 静态提升
if (options.hoistStatic) {
hoistStatic(root, context)
}
//服务端渲染
if (!options.ssr) {
createRootCodegen(root, context)
}
// 透传元信息
// finalize meta information
root.helpers = new Set([...context.helpers.keys()])
root.components = [...context.components]
root.directives = [...context.directives]
root.imports = context.imports
root.hoists = context.hoists
root.temps = context.temps
root.cached = context.cached
if (__COMPAT__) {
root.filters = [...context.filters!]
}
}
transform方法主要是对AST进行进一步转化，为generate函数生成render方法做准备，主要做了以下事情：
- traverseNode方法将会递归地检查和解析AST元素节点的属性，例如结合helpers方法对@click等事件添加对应的方法和事件回调，对插值表达式、指令、props添加动态绑定等。
- 处理类型逻辑包括静态提升逻辑，将静态节点赋值给hoists，以及为不同类型的节点打上不同的patchFlag，以便于后续diff使用。
- 在AST上绑定并透传一些元数据。
generate方法主要是生成render方法的字符串code，在源码packages\compiler-core\src\codegen.ts中，其代码如下：
export function generate(
ast: RootNode,
options: CodegenOptions & {
onContextCreated?: (context: CodegenContext) => void
} = {}
): CodegenResult {
const context = createCodegenContext(ast, options)
if (options.onContextCreated) options.onContextCreated(context)
const {
mode,
push,
prefixIdentifiers,
indent,
deindent,
newline,
scopeId,
ssr
} = context
const helpers = Array.from(ast.helpers)
const hasHelpers = helpers.length > 0
const useWithBlock = !prefixIdentifiers && mode !== 'module'
const genScopeId = !__BROWSER__ && scopeId != null && mode === 'module'
const isSetupInlined = !__BROWSER__ && !!options.inline
// preambles
// in setup() inline mode, the preamble is generated in a sub context
// and returned separately.
const preambleContext = isSetupInlined
? createCodegenContext(ast, options)
: context
if (!__BROWSER__ && mode === 'module') {
genModulePreamble(ast, preambleContext, genScopeId, isSetupInlined)
} else {
genFunctionPreamble(ast, preambleContext)
}
// enter render function
const functionName = ssr ? `ssrRender` : `render`
const args = ssr ? ['_ctx', '_push', '_parent', '_attrs'] : ['_ctx', '_cache']
if (!__BROWSER__ && options.bindingMetadata && !options.inline) {
// binding optimization args
args.push('$props', '$setup', '$data', '$options')
}
const signature =
!__BROWSER__ && options.isTS
? args.map(arg => `${arg}: any`).join(',')
: args.join(', ')
if (isSetupInlined) {
push(`(${signature}) => {`)
} else {
push(`function ${functionName}(${signature}) {`)
}
//缩进
indent()
if (useWithBlock) {
push(`with (_ctx) {`)
indent()
// function mode const declarations should be inside with block
// also they should be renamed to avoid collision with user properties
if (hasHelpers) {
push(`const { ${helpers.map(aliasHelper).join(', ')} } = _Vue`)
push(`\n`)
newline()
}
}
// generate asset resolution statements
if (ast.components.length) {
// 单独处理component、directive、filters
genAssets(ast.components, 'component', context)
if (ast.directives.length || ast.temps > 0) {
newline()
}
}
if (ast.directives.length) {
genAssets(ast.directives, 'directive', context)
if (ast.temps > 0) {
newline()
}
}
if (__COMPAT__ && ast.filters && ast.filters.length) {
newline()
genAssets(ast.filters, 'filter', context)
newline()
}
if (ast.temps > 0) {
push(`let `)
for (let i = 0; i < ast.temps; i++) {
push(`${i > 0 ? `, ` : ``}_temp${i}`)
}
}
if (ast.components.length || ast.directives.length || ast.temps) {
push(`\n`)
newline()
}
// generate the VNode tree expression
if (!ssr) {
push(`return `)
}
if (ast.codegenNode) {
// 处理NodeTypes中的所有类型
genNode(ast.codegenNode, context)
} else {
push(`null`)
}
if (useWithBlock) {
deindent()
push(`}`)
}
deindent()
push(`}`)
// 返回code字符串
return {
ast,
code: context.code,
preamble: isSetupInlined ? preambleContext.code : ``,
// SourceMapGenerator does have toJSON() method but it's not in the types
map: context.map ? (context.map as any).toJSON() : undefined
}
}
generate方法的核心逻辑在genNode方法中，其逻辑是根据不同的NodeTypes类型构造出不同的render方法字符串，部分代码如下：
switch (node.type) {
case NodeTypes.ELEMENT:
case NodeTypes.IF:
case NodeTypes.FOR:// for关键字元素节点
genNode(node.codegenNode!, context)
break
case NodeTypes.TEXT:// 文本元素节点
genText(node, context)
break
case NodeTypes.VNODE_CALL:// 核心：VNode混合类型节点（AST节点）
genVNodeCall(node, context)
break
case NodeTypes.COMMENT: // 注释元素节点
genComment(node, context)
break
case NodeTypes.JS_FUNCTION_EXPRESSION:// 方法调用节点
genFunctionExpression(node, context)
break
...
其中：
- 节点类型NodeTypes.VNODE_CALL对应genVNodeCall方法和ast.ts文件中的createVNodeCall方法，后者用来返回VNodeCall，前者生成对应的VNodeCall这部分render方法字符串，是整个render方法字符串的核心。
- 节点类型NodeTypes.FOR对应for关键字元素节点，其内部递归地调用了genNode方法。
- 节点类型NodeTypes.TEXT对应文本元素节点，负责静态文本的生成。
- 节点类型NodeTypes.JS_FUNCTION_EXPRESSION对应方法调用节点，负责方法表达式的生成。
经过一系列的加工，最终生成的render方法字符串结果如下：
const _Vue = Vue
const { createElementVNode: _createElementVNode } = _Vue
// 静态节点
const _hoisted_1 = /*#__PURE__*/_createElementVNode("p", null, "123", -1 /* HOISTED */)
return function render(_ctx, _cache) {//render方法
with (_ctx) {
const { toDisplayString: _toDisplayString, createElementVNode: _createElementVNode, Fragment: _Fragment, openBlock: _openBlock, createElementBlock: _createElementBlock } = _Vue //helper方法
return (_openBlock(), _createElementBlock(_Fragment, null, [
_createElementVNode("div", null, _toDisplayString(name), 1 /* TEXT */),
_hoisted_1
], 64 /* STABLE_FRAGMENT */))
}
}
上面的代码中，_createElementVNode和_openBlock是上一步传进来的helper方法。其中<p>123</p>这种属于没有响应式绑定的静态节点会被单独区分，而动态节点会使用createElementVNode方法来创建，最终这两种节点都会进入createElementBlock方法进行VNode的创建。
在render方法中使用了with关键字，with的作用如下：
const obj = {
a:1
}
with(obj){
console.log(a) // 打印1
}
在with(_ctx)包裹下，我们在data中定义的响应式变量才能正常使用，例如调用_toDisplayString(name)，其中name就是响应式变量。
6. 得到最终的VNode对象
最终，这是一段可执行代码，会赋值给组件的Component.render方法，其源码在packages\runtime-core\src\component.ts中，代码如下：
...
Component.render = compile(template, finalCompilerOptions)
...
if (installWithProxy) { // 绑定代理
installWithProxy(instance)
}
...
compile方法最初是baseCompile方法的入口，在完成赋值后，还需要绑定代理，执行installWithProxy方法，其源码在packages\runtime-core\src\component.ts中，代码如下：
/**
* For runtime-dom to register the compiler.
* Note the exported method uses any to avoid d.ts relying on the compiler types.
*/
export function registerRuntimeCompiler(_compile: any) {
compile = _compile
installWithProxy = i => {
if (i.render!._rc) {
i.withProxy = new Proxy(i.ctx, RuntimeCompiledPublicInstanceProxyHandlers)
}
}
}
这主要是给render中_ctx的响应式变量添加绑定，当上面的render方法中的name被使用时，可以通过代理监听到调用，这样就会响应式地监听收集track，当触发trigger监听时进行diff。
在runtime-core/src/componentRenderUtils.ts源码中的renderComponentRoot方法中会执行render方法得到VNode对象，其核心代码如下：
export function renderComponentRoot(){
// 执行render
let result = normalizeVNode(render!.call(
proxyToUse,
proxyToUse!,
renderCache,
props,
setupState,
data,
ctx
))
...
return result
}
demo代码中最终得到的VNode对象如下图。
VNode
上图中就是通过render方法运行后得到的VNode对象，可以看到children和dynamicChildren的区别：前者包括两个子节点，分别是<div>和<p>，这个和在<template>中定义的内容是对应的；而后者只存储了动态节点，包括动态props，即data-a属性。同时，VNode也是树状结构，通过children和dynamicChildren一层一层地递进下去。
在通过render方法得到VNode的过程也是对指令、插值表达式、响应式数据、插槽等一系列Vue语法的解析和构造过程，最终生成结构化的VNode对象，可以将整个过程总结成流程图。
VNode生成流程图
属性patchFlag，这个是后面进行VNode的diff时所用到的标志位，数字64表示稳定不需要改变。最后得到VNode对象后，需要转换成真实的DOM节点，这部分逻辑是在虚拟DOM的diff中完成的。
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