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):

  1. 脏检查:scope digest + 必要 DOM 更新
  2. 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。

  1. 初始渲染:Virtual DOM > 脏检查 >= 依赖收集
  2. 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
  3. 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
  4. (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。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持编程小技巧。

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