Vue 3 最详细的Reactivity 数据响应式原理解析

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-10-16 04:59 151阅读 0赞

> Vue3 如火如荼，与其干等，不如花一个下午茶的时间来看下最新的响应式数据是如何实现的吧。在本文中，会写到 vue3 的依赖收集和 proxy 数据代理，以及副作用 (effect) 是如何进行工作的。

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> 基本差不多了，图有点小丑，也可以看比人比较全的图。QAQ

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## 前言 ##

好久没有接触`Vue`了，在前几天观看尤大的直播时谈论对于`看源码`的一些看法，是为了更好的上手`vue`? 还是想要学习内部的框架思想？

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> 国内前端：面试，面试会问。

在大环境下似乎已经卷到了只要你是开发者，那么必然需要去学习源码，不论你是实习生，还是应届生，或者是多年经验的老前端。

如果你停滞下来，不跟着卷，那么忽然之间带来的压力就会将你冲垮，以至于你可能很难在内卷的环境下生存下去，哪怕你是对的。

有兴趣的话可以阅读一下 @掘金泥石流大佬的写的程序员焦虑程度自测表。

似乎讲了太多的题外话，与其发牢骚不如静下心来，一起学习一下`Reactivity`的一些基本原理吧，相信阅读完文章的你会对`vue 3`数据响应式有更加深刻的理解。

> 而之所以选择`Reactivity`模块来说，是因为其耦合度较低，且是`vue3.0`核心模块之一，性价比成本非常高。

## 基础篇 ##

在开始之前，如果不了解`ES6`出现的一些`高阶api`，如，`Proxy`, `Reflect`, `WeakMap`, `WeakSet`,`Map`, `Set`等等可以自行翻阅到资源章节，先了解前置知识点在重新观看为最佳。

### Proxy ###

在`@vue/reactivity`中，`Proxy`是整个调度的基石。

通过`Proxy`代理对象，才能够在`get`, `set`方法中完成后续的事情，比如`依赖收集`，`effect`，`track`, `trigger`等等操作，在这里就不详细展开，后续会详细展开叙述。

> 如果有同学迫不及待，加上天资聪慧，`ES6`有一定基础，可以直接跳转到原理篇进行观看和思考。

先来手写一个简单的`Proxy`。在其中`handleCallback`中写了了`set`, `get`两个方法，又来拦截当前属性值变化的数据监听。先上代码：

const user = {
      name: 'wangly19',
      age: 22,
      description: '一名掉头发微乎其微的前端小哥。'
    }
    
    const userProxy = new Proxy(user, {
      get(target, key) {
        console.log(`userProxy: 当前获取key为${key}`)
        if (target.hasOwnProperty(key)) return target[key]
        return {
        }
      },
      set(target, key, value) {
        console.log(`userProxy: 当前设置值key为${key}， value为${value}`)
        let isWriteSuccess = false
        if (target.hasOwnProperty(key)) {
          target[key] = value
          isWriteSuccess = true
        }
        return isWriteSuccess
      }
    })
    
    console.log('myNaame', userProxy.name)
    
    userProxy.age = 23
    复制代码

当我们在对值去进行赋值修改和打印的时候，分别触发了当前的`set`和`get`方法。

这一点非常重要，对于其他的一些属性和使用方法在这里就不过多的赘述，

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### Reflect ###

`Reflect`并不是一个类，是一个内置的对象。这一点呢大家要知悉，不要直接`实例化(new)`使用，它的功能比较和`Proxy`的`handles`有点类似，在这一点基础上又添加了很多`Object`的方法。

> 在这里我们不去深究`Reflect`, 如果想要深入了解功能的同学，可以在后续资源中找到对应地址进行学习。在本章主要介绍了通过`Reflect`安全的操作对象。

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以下是对`user`对象的一些`修改`操作的实例，可以参考一下，在后续可能会用到。

const user = {
      name: 'wangly19',
      age: 22,
      description: '一名掉头发微乎其微的前端小哥。'
    }
    
    console.log('change age before' , Reflect.get(user, 'age'))
    
    const hasChange = Reflect.set(user, 'age', 23)
    console.log('set user age is done? ', hasChange ? 'yes' : 'no')
    
    console.log('change age after' , Reflect.get(user, 'age'))
    
    const hasDelete = Reflect.deleteProperty(user, 'age')
    
    console.log('delete user age is done?', hasDelete ? 'yes' : 'none')
    
    console.log('delete age after' , Reflect.get(user, 'age'))
    复制代码

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## 原理篇 ##

当了解了前置的一些知识后，就要开始`@vue/reactivity`的源码解析篇章了。下面开始会以简单的思路来实现一个基础的`reactivity`，当你了解其本质原理后，你会对`@vue/reactivity`的`依赖收集(track)`和`触发更新(trigger)`，以及`副作用(effect)`究竟是什么工作。

### reactive ###

`reactive`是`vue3`中用于生成`引用类型`的`api`。

const user = reactive({
      name: 'wangly19',
      age: 22,
      description: '一名掉头发微乎其微的前端小哥。'
    })
    复制代码

那么往函数内部看看，`reactive`方法究竟做了什么？

在内部，对传入的对象进行了一个`target`的只读判断，如果你传入的`target`是一个只读代理的话，会直接返回掉。对于正常进行`reactive`的话则是返回了`createReactiveObject`方法的值。

export function reactive(target: object) {
      // if trying to observe a readonly proxy, return the readonly version.
      if (target && (target as Target)[ReactiveFlags.IS_READONLY]) {
        return target
      }
      return createReactiveObject(
        target,
        false,
        mutableHandlers,
        mutableCollectionHandlers,
        reactiveMap
      )
    }
    复制代码

#### createReactiveObject ####

在`createReactiveObject`中，做的事情就是为`target`添加一个`proxy`代理。这是其核心，`reactive`最终拿到的是一个`proxy`代理，参考`Proxy`章节的简单事例就可以知道`reactive`是如何进行工作的了，那么在来看下`createReactiveObject`做了一些什么事情。

首先先判断当前`target`的类型，如果不符合要求，直接抛出警告并且返回原来的值。

if (!isObject(target)) {
        if (__DEV__) {
          console.warn(`value cannot be made reactive: ${String(target)}`)
        }
        return target
      }
    复制代码

其次判断当前对象是否已经被代理且并不是只读的，那么本身就是一个代理对象，那么就没有必要再去进行代理了，直接将其当作返回值返回，避免重复代理。

if (
        target[ReactiveFlags.RAW] &&
        !(isReadonly && target[ReactiveFlags.IS_REACTIVE])
      ) {
        return target
      }
    复制代码

对于这些判断代码来说，阅读起来并不是很困难，注意`if ()`中判断的条件，看看它做了一些什么动作即可。而`createReactiveObject`做的最重要的事情就是创建`target`的`proxy`, 并将其放到`Map`中记录。

而比较有意思的是其中对传入的`target`调用了不同的`proxy handle`。那么就一起来看看`handles`中究竟干了一些什么吧。

const proxy = new Proxy(
        target,
        targetType === TargetType.COLLECTION ? collectionHandlers : baseHandlers
      )
      proxyMap.set(target, proxy)
      return proxy
    复制代码

#### handles 的类型 ####

在对象类型中，将`Object`和`Array`与`Map`,`Set`, `WeakMap`,`WeakSet`区分开来了。它们调用的是不同的`Proxy Handle`。

*  `baseHandlers.ts`：`Object` & `Array`会调用此文件下的`mutableHandlers`对象作为`Proxy Handle`。
 *  `collectionHandlers.ts`：`Map`,`Set`, `WeakMap`,`WeakSet`会调用此文件下的`mutableCollectionHandlers`对象作为`Proxy Handle`。

/**
     * 对象类型判断
     * @lineNumber 41
     */
    function targetTypeMap(rawType: string) {
      switch (rawType) {
        case 'Object':
        case 'Array':
          return TargetType.COMMON
        case 'Map':
        case 'Set':
        case 'WeakMap':
        case 'WeakSet':
          return TargetType.COLLECTION
        default:
          return TargetType.INVALID
      }
    }
    复制代码

会在`new Proxy`的根据返回的`targetType`判断。

const proxy = new Proxy(
      target,
      targetType === TargetType.COLLECTION ? collectionHandlers : baseHandlers
    )
    复制代码

> 由于篇幅有限，下文中只举例`mutableHandlers`当作分析的参考。当理解`mutableHandlers`后对于`collectionHandlers`只是时间的问题。

### Proxy Handle ###

在上面说到了根据不同的`Type`调用不同的`handle`，那么一起来看看`mutableHandlers`究竟做了什么吧。

在基础篇中，都知道`Proxy`可以接收一个配置对象，其中我们演示了`get`和`set`的属性方法。而`mutableHandlers`就是何其相同意义的事情，在内部分别定义`get`, `set`, `deleteProperty`, `has`, `oneKeys`等多个属性参数，如果不知道什么含义的话，可以看下`Proxy Mdn`。在这里你需要理解`被监听的数据` 只要发生`增查删改`后，绝大多数都会进入到对应的回执通道里面。

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在这里，我们用简单的`get`, `set`来进行简单的模拟实例。

function createGetter () {
        return (target, key, receiver) => {
          const result = Reflect.get(target, key, receiver)
          track(target, key)
          return result
        }
    }
    
    const get = /*#__PURE__*/ createGetter()
    
    function createSetter () {
      
      return (target, key, value, receiver) => {
        const oldValue = target[key]
      const result = Reflect.set(target, key, value, receiver)
      if (result && oldValue != value) {
        trigger(target, key)
      }
      return result
      }
    }
    复制代码

在`get`的时候会进行一个`track`的依赖收集，而`set`的时候则是触发`trigger`的触发机制。在`vue3`，而`trigger`和`track`的话都是在我们`effect.ts`当中声明的，那么接下来就来看看`依赖收集`和`响应触发`究竟做了一些什么吧。

### Effect ###

对于整个 effect 模块，将其分为三个部分来去阅读：

*  `effect`：副作用函数
 *  `teack`: 依赖收集，在`proxy`代理数据`get`时调用
 *  `trigger`: 触发响应，在`proxy`代理数据发生变化的时候调用。

#### effect ####

通过一段实例来看下`effect`的使用，并且了解它主要参数是一个函数。在函数内部会帮你执行一些副作用记录和特性判断。

effect(() => {
        proxy.user = 1
    })
    复制代码

来看看`vue`的`effect`干了什么？

在这里，首先判断当前参数`fn`是否是一个`effect`，如果是的话就将`raw`中存放的`fn`进行替换。然后重新进行`createReactiveEffect`生成。

export function effect<T = any>(
      fn: () => T,
      options: ReactiveEffectOptions = EMPTY_OBJ
    ): ReactiveEffect<T> {
      if (isEffect(fn)) {
        fn = fn.raw
      }
      const effect = createReactiveEffect(fn, options)
      if (!options.lazy) {
        effect()
      }
      return effect
    }
    
    复制代码

在`createReactiveEffect`会将我们`effect`推入到`effectStack`中进行入栈操作，然后用`activeEffect`进行存取当前执行的`effect`，在执行完后会将其进行`出栈`。同时替换`activeEffect`为新的栈顶。

而在`effect`执行的过程中就会触发`proxy handle`然后`track`和`trigger`两个关键的函数。

function createReactiveEffect<T = any>(
      fn: () => T,
      options: ReactiveEffectOptions
    ): ReactiveEffect<T> {
      const effect = function reactiveEffect(): unknown {
        if (!effect.active) {
          return options.scheduler ? undefined : fn()
        }
        if (!effectStack.includes(effect)) {
          cleanup(effect)
          try {
            enableTracking()
            effectStack.push(effect)
            activeEffect = effect
            return fn()
          } finally {
            effectStack.pop()
            resetTracking()
            activeEffect = effectStack[effectStack.length - 1]
          }
        }
      } as ReactiveEffect
      effect.id = uid++
      effect.allowRecurse = !!options.allowRecurse
      effect._isEffect = true
      effect.active = true
      effect.raw = fn
      effect.deps = []
      effect.options = options
      return effect
    }
    复制代码

来看一个简版的`effect`，抛开大多数代码包袱，下面的代码是不是清晰很多。

function effect(eff) {
      try {
        effectStack.push(eff)
        activeEffect = eff
        return eff(...argsument)
        
      } finally {
        effectStack.pop()
        activeEffect = effectStack[effectStack.length  - 1]
      }
    }
    复制代码

#### track(依赖收集) ####

在`track`的时候，会进行我们所熟知的依赖收集，会将当前`activeEffect`添加到`dep`里面，而说起这一类的关系。它会有一个一对多对多的关系。

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从代码看也非常的清晰，首先我们会有一个一个总的`targetMap`它是一个`WeakMap`，`key`是`target(代理的对象)`, `value`是一个`Map`，称之为`depsMap`，它是用于管理当前`target`中每个`key`的`deps`也就是副作用依赖，也就是以前熟知的`depend`。在`vue3`中是通过`Set`来去实现的。

第一步先凭借当前`target`获取`targetMap`中的`depsMap`，如果不存在就进行`targetMap.set(target, (depsMap = new Map()))`初始化声明，其次就是从`depsMap`中拿当前`key`的`deps`, 如果没有找到的话，同样是使用`depsMap.set(key, (dep = new Set()))`进行初始化声明，最后将当前`activeEffect`推入到`deps`, 进行依赖收集。

1.  在`targetMap`中找`target`

*  
 *  1.  在`depsMap`中找`key`
 *  
 *  1.  将`activeEffect`保存到`dep`里面。
    
    这样的话就会形成一个一对多对多的结构模式，里面存放的是所有被`proxy`劫持的依赖。
    
        function track(target: object, type: TrackOpTypes, key: unknown) {
          if (!shouldTrack || activeEffect === undefined) {
            return
          }
          let depsMap = targetMap.get(target)
          if (!depsMap) {
            targetMap.set(target, (depsMap = new Map()))
          }
          let dep = depsMap.get(key)
          if (!dep) {
            depsMap.set(key, (dep = new Set()))
          }
          if (!dep.has(activeEffect)) {
            dep.add(activeEffect)
            activeEffect.deps.push(dep)
            if (__DEV__ && activeEffect.options.onTrack) {
              activeEffect.options.onTrack({
                effect: activeEffect,
                target,
                type,
                key
              })
            }
          }
        }
        复制代码
    
    #### trigger（响应触发） ####
    
    在`trigger`的时候，做的事情其实就是触发当前响应依赖的执行。
    
    首先，需要获取当前`key`下所有渠道的`deps`，所以会看到有一个`effects`和`add`函数, 做的事情非常的简单，就是来判断当前传入的`depsMap`的属性是否需要添加到`effects`里面，在这里的条件就是`effect`不能是当前的`activeEffect`和`effect.allowRecurse`，来确保当前`set key`的依赖都进行执行。
    
        const effects = new Set<ReactiveEffect>()
          const add = (effectsToAdd: Set<ReactiveEffect> | undefined) => {
            if (effectsToAdd) {
              effectsToAdd.forEach(effect => {
                if (effect !== activeEffect || effect.allowRecurse) {
                  effects.add(effect)
                }
              })
            }
          }
        复制代码
    
    下面下面熟知的场景就是判断当前传入的一些变化行为，最常见的就是在`trigger`中会传递的`TriggerOpTypes`行为，然后执行`add`方法将其将符合条件的`effect`添加到`effects`当中去，在这里`@vue/reactivity`做了很多数据就变异上的行为，如`length`变化。
    
    然后根据不同的`TriggerOpTypes`进行`depsMap`的数据取出，最后放入`effects`。随后通过`run`方法将当前的`effect`执行，通过`effects.forEach(run)`进行执行。
    
        if (type === TriggerOpTypes.CLEAR) {
            // collection being cleared
            // trigger all effects for target
            depsMap.forEach(add)
          } else if (key === 'length' && isArray(target)) {
            depsMap.forEach((dep, key) => {
              if (key === 'length' || key >= (newValue as number)) {
                add(dep)
              }
            })
          } else {
            // schedule runs for SET | ADD | DELETE
            if (key !== void 0) {
              add(depsMap.get(key))
            }
        
            // also run for iteration key on ADD | DELETE | Map.SET
            switch (type) {
              case TriggerOpTypes.ADD:
                if (!isArray(target)) {
                  add(depsMap.get(ITERATE_KEY))
                  if (isMap(target)) {
                    add(depsMap.get(MAP_KEY_ITERATE_KEY))
                  }
                } else if (isIntegerKey(key)) {
                  // new index added to array -> length changes
                  add(depsMap.get('length'))
                }
                break
              case TriggerOpTypes.DELETE:
                if (!isArray(target)) {
                  add(depsMap.get(ITERATE_KEY))
                  if (isMap(target)) {
                    add(depsMap.get(MAP_KEY_ITERATE_KEY))
                  }
                }
                break
              case TriggerOpTypes.SET:
                if (isMap(target)) {
                  add(depsMap.get(ITERATE_KEY))
                }
                break
            }
          }
        复制代码
    
    而`run`又做了什么呢？
    
    首先就是判断当前`effect`中`options`下有没有`scheduler`，如果有的话就使用`schedule`来处理执行，反之直接直接执行`effect()`。
    
        if (effect.options.scheduler) {
              effect.options.scheduler(effect)
            } else {
              effect()
            }
        复制代码
    
    将其缩短一点看处理逻辑，其实就是从`targetMap`中拿对应`key`的依赖。
    
        const depsMap = targetMap.get(target)
          if (!depsMap) {
            return
          }
          const dep = depsMap.get(key)
          if (dep) {
            dep.forEach((effect) => {
              effect()
            })
          }
        复制代码
    
    ### Ref ###
    
    众所周知，`ref`是`vue3`对普通类型的一个响应式数据声明。而获取`ref`的值需要通过`ref.value`的方式进行获取，很多人以为`ref`就是一个简单的`reactive`但其实不是。
    
    在源码中，`ref`最终是调用一个`createRef`的方法，在其内部返回了`RefImpl`的实例。它与`Proxy`不同的是，`ref`的依赖收集和响应触发是在`getter/setter`当中，这一点可以参考图中`demo`形式，链接地址 gettter/setter。
    
        export function ref<T extends object>(value: T): ToRef<T>
        export function ref<T>(value: T): Ref<UnwrapRef<T>>
        export function ref<T = any>(): Ref<T | undefined>
        export function ref(value?: unknown) {
          return createRef(value)
        }
        
        function createRef(rawValue: unknown, shallow = false) {
          if (isRef(rawValue)) {
            return rawValue
          }
          return new RefImpl(rawValue, shallow)
        }
        复制代码
    
    ![2843c0abc8cb4cec3fe4e43aa45698e7.png][]
    
    如图所示，`vue`在`getter`中与`proxy中的get`一样都调用了`track`收集依赖，在`setter`中进行`_value`值更改后调用`trigger`触发器。
    
        class RefImpl<T> {
          private _value: T
        
          public readonly __v_isRef = true
        
          constructor(private _rawValue: T, public readonly _shallow = false) {
            this._value = _shallow ? _rawValue : convert(_rawValue)
          }
        
          get value() {
            track(toRaw(this), TrackOpTypes.GET, 'value')
            return this._value
          }
        
          set value(newVal) {
            if (hasChanged(toRaw(newVal), this._rawValue)) {
              this._rawValue = newVal
              this._value = this._shallow ? newVal : convert(newVal)
              trigger(toRaw(this), TriggerOpTypes.SET, 'value', newVal)
            }
          }
        }
        复制代码
    
    那么你现在应该知道：
    
     *  `proxy handle`是`reactive`的原理，而`ref`的原理是`getter/setter`。
     *  在`get`的时候都调用了`track`，`set`的时候都调用了`trigger`
     *  `effect`是数据响应的核心。
    
    ### Computed ###
    
    `computed`一般有两种常见的用法, 一种是通过传入一个对象，内部有`set`和`get`方法，这种属于`ComputedOptions`的形式。
    
        export function computed<T>(getter: ComputedGetter<T>): ComputedRef<T>
        export function computed<T>(
          options: WritableComputedOptions<T>
        ): WritableComputedRef<T>
        export function computed<T>(
          getterOrOptions: ComputedGetter<T> | WritableComputedOptions<T>
        )
        复制代码
    
    而在内部会有`getter / setter`两个变量来进行保存。
    
    当`getterOrOptions`为函数的时候，会将其赋值给与`getter`。
    
    当`getterOrOptions`为对象的时候，会将`set`和`get`分别赋值给`setter`,`getter`。
    
    随后将其作为参数进行实例化`ComputedRefImpl`类，并将其当作返回值返回出去。
    
        let getter: ComputedGetter<T>
          let setter: ComputedSetter<T>
        
          if (isFunction(getterOrOptions)) {
            getter = getterOrOptions
            setter = __DEV__
              ? () => {
                  console.warn('Write operation failed: computed value is readonly')
                }
              : NOOP
          } else {
            getter = getterOrOptions.get
            setter = getterOrOptions.set
          }
          
          return new ComputedRefImpl(
            getter,
            setter,
            isFunction(getterOrOptions) || !getterOrOptions.set
          ) as any
        复制代码
    
    那么`ComputedRefImpl`干了一些什么？
    
    计算属性的源码，其实绝大多数是依赖前面对`effect`的一些理解。
    
    首先，我们都知道，`effect`可以传递一个`函数`和一个`对象options`。
    
    在这里将`getter`当作函数参数传递，也就是`副作用`，而在`options`当中配置了`lazy`和`scheduler`。
    
    `lazy`表示`effect`并不会立即被执行，而`scheduler`是在`trigger`中会判断你是否传入了`scheduler`，传入后就执行`scheduler`方法。
    
    而在`computed scheduler`当中，会判断当前的`_dirty`是否为`false`，如果是的话会把`_dirty`设置为`true`，且执行`trigger`触发响应。
    
        class ComputedRefImpl<T> {
          private _value!: T
          private _dirty = true
        
          public readonly effect: ReactiveEffect<T>
        
          public readonly __v_isRef = true;
          public readonly [ReactiveFlags.IS_READONLY]: boolean
        
          constructor(
            getter: ComputedGetter<T>,
            private readonly _setter: ComputedSetter<T>,
            isReadonly: boolean
          ) {
            this.effect = effect(getter, {
              lazy: true,
              scheduler: () => {
                if (!this._dirty) {
                  this._dirty = true
                  trigger(toRaw(this), TriggerOpTypes.SET, 'value')
                }
              }
            })
        
            this[ReactiveFlags.IS_READONLY] = isReadonly
          }
        复制代码
    
    而在`getter/setter`中会对`_value`进行不同操作。
    
    首先，在`get value`中，判断当前`._dirty`是否为`true`，如果是的话执行缓存的`effect`并将其返回结果存放到`_value`，并执行`track`进行依赖收集。
    
    其次，在`set value`中，则是调用`_setter`方法重新新值。
    
        get value() {
            // the computed ref may get wrapped by other proxies e.g. readonly() #3376
            const self = toRaw(this)
            if (self._dirty) {
              self._value = this.effect()
              self._dirty = false
            }
            track(self, TrackOpTypes.GET, 'value')
            return self._value
          }
        
          set value(newValue: T) {
            this._setter(newValue)
          }
        复制代码
    
    ## 资源引用 ##
    
    下面是一些参考资源，有兴趣的小伙伴可以看下
    
     *  ES6 系列之 WeakMap
     *  Proxy 和 Reflect
     *  Vue Mastery
     *  Vue Docs
     *  React 中引入 Vue3 的 @vue/reactivity 实现响应式状态管理
    
    ## 总结 ##
    
    如果你使用`vue`的话强烈建议自己`debug`将这一块看完，绝对会对你写代码有很大的帮助。`vue3`如火如荼，目前已经有团队作用于生产环境进行项目开发，社区的生态也慢慢的发展起来。
    
    `@vue/reactivity`的阅读难度并不高，也有很多优质的教程，有一定的工作基础和代码知识都能循序渐进的理解下来。我个人其实并不需要将其理解的滚瓜烂熟，理解每一行代码的意思什么的，而是了解其核心思想，学习框架理念以及一些框架开发者代码写法的思路。这都是能够借鉴并将其吸收成为自己的知识。
    
    > 对于一个已经转到`React`生态体系下的前端来说，读`Vue`的源码其实更多的是丰富自己在思维上的知识，而不是为了面试而去读的。正如同你背书不是为了考试，而是学习知识。在现在的环境下，很难做到这些事情，静下心来专心理解一件知识不如背几篇面经。
    
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    ### 最后 ###
    
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