浏览器工作原理与实践--虚拟DOM：虚拟DOM和实际的DOM有何不同

虚拟DOM是最近非常火的技术，两大著名前端框架React和Vue都使用了虚拟DOM，所以我觉得非常有必要结合浏览器的工作机制对虚拟DOM进行一次分析。当然了，React和Vue框架本身所蕴含的知识点非常多，而且也不是我们专栏的重点，所以在这里我们还是把重心聚焦在虚拟DOM上。

在本文我们会先聊聊DOM的一些缺陷，然后在此基础上介绍虚拟DOM是如何解决这些缺陷的，最后再站在双缓存和MVC的视角来聊聊虚拟DOM。理解了这些会让你对目前的前端框架有一个更加底层的认识，这也有助于你更好地理解这些前端框架。

DOM的缺陷

通过前面一系列文章的学习，你对DOM的生成过程应该已经有了比较深刻的理解，并且也知道了通过JavaScript操纵DOM是会影响到整个渲染流水线的。另外，DOM还提供了一组JavaScript接口用来遍历或者修改节点，这套接口包含了getElementById、removeChild、appendChild等方法。

比如，我们可以调用document.body.appendChild(node)

DOM的缺陷

比如，我们可以调用document.body.appendChild(node)往body节点上添加一个元素，调用该API之后会引发一系列的连锁反应。首先渲染引擎会将node节点添加到body节点之上，然后触发样式计算、布局、绘制、栅格化、合成等任务，我们把这一过程称为重排。除了重排之外，还有可能引起重绘或者合成操作，形象地理解就是“牵一发而动全身”。另外，对于DOM的不当操作还有可能引发强制同步布局和布局抖动的问题，这些操作都会大大降低渲染效率。因此，对于DOM的操作我们时刻都需要非常小心谨慎。

当然，对于简单的页面来说，其DOM结构还是比较简单的，所以以上这些操作DOM的问题并不会对用户体验产生太多影响。但是对于一些复杂的页面或者目前使用非常多的单页应用来说，其DOM结构是非常复杂的，而且还需要不断地去修改DOM树，每次操作DOM渲染引擎都需要进行重排、重绘或者合成等操作，因为DOM结构复杂，所生成的页面结构也会很复杂，对于这些复杂的页面，执行一次重排或者重绘操作都是非常耗时的，这就给我们带来了真正的性能问题。

所以我们需要有一种方式来减少JavaScript对DOM的操作，这时候虚拟DOM就上场了。

什么是虚拟DOM

在谈论什么是虚拟DOM之前，我们先来看看虚拟DOM到底要解决哪些事情。

将页面改变的内容应用到虚拟DOM上，而不是直接应用到DOM上。
变化被应用到虚拟DOM上时，虚拟DOM并不急着去渲染页面，而仅仅是调整虚拟DOM的内部状态，这样操作虚拟DOM的代价就变得非常轻了。
在虚拟DOM收集到足够的改变时，再把这些变化一次性应用到真实的DOM上。

基于以上三点，我们再来看看什么是虚拟DOM。为了直观理解，你可以参考下图：

虚拟DOM执行流程

该图是我结合React流程画的一张虚拟DOM执行流程图，下面我们就结合这张图来分析下虚拟DOM到底怎么运行的。

创建阶段。首先依据JSX和基础数据创建出来虚拟DOM，它反映了真实的DOM树的结构。然后由虚拟DOM树创建出真实DOM树，真实的DOM树生成完后，再触发渲染流水线往屏幕输出页面。
更新阶段。如果数据发生了改变，那么就需要根据新的数据创建一个新的虚拟DOM树；然后React比较两个树，找出变化的地方，并把变化的地方一次性更新到真实的DOM树上；最后渲染引擎更新渲染流水线，并生成新的页面。

既然聊到虚拟DOM的更新，那我们就不得不聊聊最新的React Fiber更新机制。通过上图我们知道，当有数据更新时，React会生成一个新的虚拟DOM，然后拿新的虚拟DOM和之前的虚拟DOM进行比较，这个过程会找出变化的节点，然后再将变化的节点应用到DOM上。

这里我们重点关注下比较过程，最开始的时候，比较两个虚拟DOM的过程是在一个递归函数里执行的，其核心算法是reconciliation。通常情况下，这个比较过程执行得很快，不过当虚拟DOM比较复杂的时候，执行比较函数就有可能占据主线程比较久的时间，这样就会导致其他任务的等待，造成页面卡顿。为了解决这个问题，React团队重写了reconciliation算法，新的算法称为Fiber reconciler，之前老的算法称为Stack reconciler。

在前面《async/await：使用同步的方式去写异步代码》那篇文章中我们介绍了协程，其实协程的另外一个称呼就是Fiber，所以在这里我们可以把Fiber和协程关联起来，那么所谓的Fiber reconciler相信你也很清楚了，就是在执行算法的过程中出让主线程，这样就解决了Stack reconciler函数占用时间过久的问题。至于具体的实现过程在这里我就不详细分析了，如果感兴趣的话，你可以自行查阅相关资料进行学习。

了解完虚拟DOM的大致执行流程，你应该也就知道为何需要虚拟DOM了。不过以上都从单纯的技术视角来分析虚拟DOM的，那接下来我们再从双缓存和MVC模型这两个视角来聊聊虚拟DOM。

1. 双缓存

在开发游戏或者处理其他图像的过程中，屏幕从前缓冲区读取数据然后显示。但是很多图形操作都很复杂且需要大量的运算，比如一幅完整的画面，可能需要计算多次才能完成，如果每次计算完一部分图像，就将其写入缓冲区，那么就会造成一个后果，那就是在显示一个稍微复杂点的图像的过程中，你看到的页面效果可能是一部分一部分地显示出来，因此在刷新页面的过程中，会让用户感受到界面的闪烁。

而使用双缓存，可以让你先将计算的中间结果存放在另一个缓冲区中，等全部的计算结束，该缓冲区已经存储了完整的图形之后，再将该缓冲区的图形数据一次性复制到显示缓冲区，这样就使得整个图像的输出非常稳定。

在这里，你可以把虚拟DOM看成是DOM的一个buffer，和图形显示一样，它会在完成一次完整的操作之后，再把结果应用到DOM上，这样就能减少一些不必要的更新，同时还能保证DOM的稳定输出。

2. MVC模式

到这里我们了解了虚拟DOM是一种类似双缓存的实现。不过如果站在技术角度来理解虚拟缓存，依然不能全面理解其含义。那么接下来我们再来看看虚拟DOM在MVC模式中所扮演的角色。

在各大设计模式当中，MVC是一个非常重要且应用广泛的模式，因为它能将数据和视图进行分离，在涉及到一些复杂的项目时，能够大大减轻项目的耦合度，使得程序易于维护。

关于MVC的基础结构，你可以先参考下图：

MVC基础结构

通过上图你可以发现，MVC的整体结构比较简单，由模型、视图和控制器组成，其核心思想就是将数据和视图分离，也就是说视图和模型之间是不允许直接通信的，它们之间的通信都是通过控制器来完成的。通常情况下的通信路径是视图发生了改变，然后通知控制器，控制器再根据情况判断是否需要更新模型数据。当然还可以根据不同的通信路径和控制器不同的实现方式，基于MVC又能衍生出很多其他的模式，如MVP、MVVM等，不过万变不离其宗，它们的基础骨架都是基于MVC而来。

所以在分析基于React或者Vue这些前端框架时，我们需要先重点把握大的MVC骨架结构，然后再重点查看通信方式和控制器的具体实现方式，这样我们就能从架构的视角来理解这些前端框架了。比如在分析React项目时，我们可以把React的部分看成是一个MVC中的视图，在项目中结合Redux就可以构建一个MVC的模型结构，如下图所示：

基于React和Redux构建MVC模型

在该图中，我们可以把虚拟DOM看成是MVC的视图部分，其控制器和模型都是由Redux提供的。其具体实现过程如下：

图中的控制器是用来监控DOM的变化，一旦DOM发生变化，控制器便会通知模型，让其更新数据；
模型数据更新好之后，控制器会通知视图，告诉它模型的数据发生了变化；
视图接收到更新消息之后，会根据模型所提供的数据来生成新的虚拟DOM；
新的虚拟DOM生成好之后，就需要与之前的虚拟DOM进行比较，找出变化的节点；
比较出变化的节点之后，React将变化的虚拟节点应用到DOM上，这样就会触发DOM节点的更新；
DOM节点的变化又会触发后续一系列渲染流水线的变化，从而实现页面的更新。

在实际工程项目中，你需要学会分析出这各个模块，并梳理出它们之间的通信关系，这样对于任何框架你都能轻松上手了。

总结

好了，今天就介绍到这里，下面我来总结下本文的主要内容。

首先我们分析了直接操作DOM会触发渲染流水线的一系列反应，如果对DOM操作不当的话甚至还会触发强制同步布局和布局抖动的问题，这也是我们在操作DOM时需要非常小心谨慎的原因。

在此分析的基础上，我们介绍了虚拟DOM是怎么解决直接操作DOM所带来的问题以及React Fiber更新机制。

要聊前端框架，就绕不开设计模式，所以接下来我们又从双缓存和MVC角度分析了虚拟DOM。双缓存是一种经典的思路，应用在很多场合，能解决页面无效刷新和闪屏的问题，虚拟DOM就是双缓存思想的一种体现。而基于MVC的设计思想也广泛地渗透到各种场合，并且基于MVC又衍生出了很多其他模式（如MVP、MVVM等），不过万变不离其宗，它们的基础骨架都是基于MVC而来。站在MVC视角来理解虚拟DOM能让你看到更为“广阔的世界”。