六千字详解!vue3 响应式是如何实现的?(下)

简介: 六千字详解!vue3 响应式是如何实现的?(下)

effect 函数


我们来看一下 effect 的实现


// 传入一个 fn 函数
export function effect<T = any>(
  fn: () => T
){
  // 参数 fn,可能也是一个 effect,所以要获取到最初始的 fn 参数
  if ((fn as ReactiveEffectRunner).effect) {
    fn = (fn as ReactiveEffectRunner).effect.fn
  }
  // 创建 ReactiveEffect 对象
  const _effect = new ReactiveEffect(fn)
  _effect.run()
  const runner = _effect.run.bind(_effect)
  runner.effect = _effect
  return runner
}

effect 函数接受一个函数作为参数,该函数,我们称之为副作用函数

effect 函数内部,会创建 ReactiveEffect 对象,我们称之为副作用对象

effect 函数,返回一个 runner,是一个函数,直接调用就是调用副作用函数;runner 的属性 effect,保存着它对应的 ReactiveEffect 对象 。

因此,它们的关系如下:

effect 函数的入参为副作用函数,在 effect 函数内部会创建副作用对象

我们继续深入看看 ReactiveEffect  对象的实现


ReactiveEffect 副作用对象


该部分(effect.run 函数)代码有比较大的删减,点击查看未删减的源码

为什么要删减这部分代码?

在 vue 3.2 版本以后,effect.run 做了优化,提升性能,其中涉及到位运算。

优化方案在极端的情况下(effect 非常多次嵌套),会降级到原来的老方案(优化前,3.2版本前的方案)

因此,为了便于理解,我这里先介绍优化前的方案,深入了解,并阐述该方案的缺点, 以便更好地理解为什么需要进行优化。

删减部分为优化后的方案,这部分的方案会在下一小节进行介绍。

下面是 ReactiveEffect  代码解析:


// 全局公用的 effect 栈,由于可以 effect 嵌套,因此需要用栈保存 ReactiveEffect 副作用对象
const effectStack: ReactiveEffect[] = []
export class ReactiveEffect<T = any> {
  active = true
  // 存储 Dep 对象,如上一小节的 ref.dep
  deps: Dep[] = []
  constructor(
    public fn: () => T,
    public scheduler: EffectScheduler | null = null,
    scope?: EffectScope | null
  ) {
    // 可以暂时不看,与 effectScope API 相关 https://v3.cn.vuejs.org/api/effect-scope.html#effectscope
    // 将当前 ReactiveEffect 副作用对象,记录到 effectScope 中
    // 当 effectScope.stop() 被调用时,所有的 ReactiveEffect 对象都会被 stop
    recordEffectScope(this, scope)
  }
  run() {
    // 如果当前 ReactiveEffect 副作用对象,已经在栈里了,就不需要再处理了
    if (!effectStack.includes(this)) {
      try {
        // 保存上一个的 activeEffect,因为 effect 可以嵌套
        effectStack.push((activeEffect = this))
        // 开启 shouldTrack 开关,缓存上一个值
        enableTracking()
        // 在该 effect 所在的所有 dep 中,清除 effect,下面会详细阐述
        cleanupEffect(this)
        // 执行副作用函数,执行过程中,又会 track 当前的 effect 进来,依赖重新被收集
        return this.fn()
      } finally {
        // 关闭shouldTrack开关,恢复上一个值
        resetTracking()
        // 恢复上一个的 activeEffect
        effectStack.pop()
        const n = effectStack.length
        activeEffect = n > 0 ? effectStack[n - 1] : undefined
      }
    }
  }
}
// 允许 track
export function enableTracking() {
  // trackStack 是个全局的栈,由于 effect 可以嵌套,所以是否 track 的标记,也需要用栈保存
  trackStack.push(shouldTrack)
  // 打开全局 shouldTrack 开关
  shouldTrack = true
}
//
 重置上一个 track 状态exportfunctionresetTracking() {
  const last = trackStack.pop()  // 恢复上一个 track 状态  shouldTrack = last === undefined ? true : last}

为什么要用栈保存 effect 和 track 状态?

因为effect可能会嵌套,需要保存之前的状态,effect执行完成后恢复

cleanupEffect 做了什么?

回顾下图:

1686382257683.png

effect.deps,也存储着响应式变量的 dep(dep 是一个依赖集合, ReactiveEffect 对象的集合),目的是在effect 执行后,在所有的 dep 中删除当前执行过的 effect,双向删除

删除代码如下:


function cleanupEffect(effect: ReactiveEffect) {
  const { deps } = effect
  if (deps.length) {
    for (let i = 0; i < deps.length; i++) {
      // 从 ref.dep 中删除 ReactiveEffect
      deps[i].delete(effect)
    }
    // 从 ReactiveEffect.deps 中删除 dep
    deps.length = 0
  }
}

删除的 ReactiveEffect 如何被重新收集?

在 cleanupEffect 中,在各个 dep 中,删除该 ReactiveEffect 对象。

在执行 this.fn() 时,执行副作用函数,副作用函数的执行中,当使用到响应式变量(如 ref.value)时,又会 trackEffect,重新收集依赖

为什么要先删除,再重新收集依赖?

因为执行前后的依赖可能不一致,考虑一下情况:


const switch = ref(true)
const foo = ref('foo')
effect( () = {
  if(switch.value){
    console.log(foo.value)
  }else{
    console.log('else condition')
  }
})
switch.value = false

当 switch 为 true 时,triggerEffect,双向删除后,执行副作用函数,switch、foo 会重新收集到依赖 effect

当 switch 变成 false 后,triggerEffect,双向删除后,执行副作用函数,仅有 switch 能重新收集到依赖 effect

1686382208596.png

由于 effect 副作用函数执行前后,依赖的响应式变量(这里是 ref )可能不一致,因此 vue 会先删除全部依赖,再重新收集

细心的你,可能会发现:自己写 vue 代码时,很少会出现前后依赖不一致的情况。那既然这样,删除全部依赖这个实现就有优化的空间,能不能只删除失效的依赖呢


依赖更新算法优化


该优化是 vue 3.2 版本引入的,原因即上一小节所说的,可以只删除失效的依赖。并且在极端的嵌套深度下,能够降级到 cleanupEffect 方法,对所有依赖进行删除。

先想想,假如是自己实现,要怎么写好呢?

  1. 不使用 cleanupEffect 删除所有依赖
  2. 执行副作用函数前,给 ReactiveEffect 依赖的响应式变量,加上 was 的标记(was 是 vue 给的名称,过去的意思)
  3. 执行 this.fn()track 重新收集依赖时,给 ReactiveEffect 的每个依赖,加上 new 的标记
  4. 最后,对失效(有 was 但是没有 new)依赖进行删除

为什么是标记在响应式对象,而不是 ReactiveEffect ?

再回顾一下响应式变量和 ReactiveEffect  的关系:

1686382174149.png

ReactiveEffect 依赖响应式变量(ref),响应式变量(ref)拥有多个 ReactiveEffect 依赖

只删除失效的依赖。就要确定哪些依赖(响应式变量)需要被删除(实际上是响应式变量的 dep 被删除)

因此,需要在响应式变量上做标记,对已经不依赖的响应式变量,将它们的 dep,从 ReactiveEffect.deps 中删除


如何给响应式变量做标记


实现如下:


export const initDepMarkers = ({ deps }: ReactiveEffect) => {
  if (deps.length) {
    // 循环 deps,对每个 dep 进行标记
    for (let i = 0; i < deps.length; i++) {
      // 标记 dep 为 was,w 是 was 的意思
      deps[i].w |= trackOpBit
    }
  }
}

这部分代码其实比较难理解,尤其是使用了位运算符,如果一开始就解析这些代码的话,很容易就劝退了。

下面我们对问题进行分析:

为什么这里标记的是 dep?

这里的 dep,对于 ref,就是 ref.dep,它是一个 Set<ReactiveEffect>

dep 跟 ref 的关系是一一对应的,一个 ref仅仅有一个 dep,因此,标记在 dep 和 标记在 ref,是等价的

那为什么不在响应式变量上标记呢?

因为响应式变量的类型有几种:ref、computed、reactive,它们都使用 dep 对象存储依赖,对它们都有的 dep 对象进行标记,可以将标记代码更好的进行复用(否则要判断不同的类型,执行不同的标记逻辑)。

如果未来新增一种响应式变量,只需要也是用 dep 进行存储依赖即可

这个按位与位运算的作用是什么?

先来看看 dep 的真实结构,它其实还有两个属性 w 和 n:


export type Dep = Set<ReactiveEffect> & TrackedMarkers
type TrackedMarkers = {
  /**
   * wasTracked,代表副作用函数执行前被 track 过
   */
  w: number
  /**
   * newTracked,代表副作用函数执行后被 track
   */
  n: number
}

那这个 w 和 n 是怎么做标记的?我们先来看看位运算做了什么,不了解位运算的同学 ,可以先看看这里的介绍


dep.w |= trackOpBit // 即 dep.w = dep.w | trackOpBit


将响应式变量标记,就是将对应整数的二进制位,设置成 1

dep.n 的标记方法也是如此。

为什么要使用位运算?

  1. 位运算速度快
  2. 只需要使用一个 number 类型的数据,就能存储不同深度的标记(was / new)

如果不使用位运算,需要实现同样的标记能力,需要用数组存储不同深度的标记,数据结构如下:


export type Dep = Set<ReactiveEffect> & TrackedMarkers
type TrackedMarkers = {
  /**
   * wasTrackedList,代表副作用函数执行前被 track 过
   * 设计为数组,是因为 effect 可以嵌套,代表响应式变量在所在的 effect 深度(嵌套层级)中是否被 track
   */
  wasTrackedList: boolean[]
  /**
   * newTracked,代表副作用函数执行后被 track
   * 设计为数组,是因为 effect 可以嵌套,代表响应式变量在所在的 effect 深度(嵌套层级)中是否被 track
   */
  newTrackedList: boolean[]
}

使用数组存储标记位,修改处理没有直接位运算快。由于 vue 每次执行副作用函数(一个页面有非常多的副作用函数),都需要频繁进行标记,这开销也是非常大的。因此,这里使用了运算符,提升了标记的速度,也节省了运行内存

trackOpBit 是什么?

trackOpBit 是代表当前操作的位,它是由 effect 嵌套深度决定的。


// 全局变量嵌套深度一开始为 0 
effectTrackDepth = 0
// 每次执行 effect 副作用函数前,全局变量嵌套深度会自增 1,执行完成 effect 副作用函数后会自减
trackOpBit = 1 << ++effectTrackDepth

当深度为 1 时,trackOpBit 是 2(二进制:00000010),操作的是第二位,将 dep.w 的第二位变成 1

因此如图所说,dep.w 的第一位是不使用的

为什么最大标记嵌套深度为 30?

从图中我们可以看到,深度受存储类型的位数限制,否则就会溢出

在JavaScript内部,数值都是以64位浮点数的形式储存,但是做位运算的时候,是以32位带符号的整数进行运算的,并且返回值也是一个32位带符号的整数


1 << 30
// 1073741824
1 << 31
// -2147483648,溢出

因此,深度最大为 30,超过 30,则需要降级方案,使用全部清除再全部重新收集依赖的方案


判断响应式变量是否被标记



export const wasTracked = (dep: Dep): boolean => (dep.w & trackOpBit) > 0
export const newTracked = (dep: Dep): boolean => (dep.n & trackOpBit) > 0

使用 wasTrackednewTracked判断 dep 是否在当前深度被标记

trackOpBit 是一个全局变量,根据当前深度生成的

1686382068850.png


如图,如果需要判断深度为 2 时(trackOpBit 第 3 位为 1),是否被标记,仅当  dep.w 的第 3 位为 1 时, wasTrackednewTracked 才会返回 true

vue 通过这样巧妙的位运算,快速算出依赖在当前深度是否被标记

副作用对象的优化实现


// 当前 effect 的嵌套深度,每次执行会 ++effectTrackDepth
let effectTrackDepth = 0
// 最大的 effect 嵌套层数为 30
const maxMarkerBits = 30      
// 位运算操作的第 trackOpBit 位
export let trackOpBit = 1
export class ReactiveEffect<T = any> {
  run() {
    if (!effectStack.includes(this)) {
      try {
        // 省略代码: 保存上一个 activeEffect
        // trackOpBit: 根据深度生成 trackOpBit
        trackOpBit = 1 << ++effectTrackDepth
        // maxMarkerBits: 可支持的最大嵌套深度,为 30
        // 这里就是之前说到的,正常情况下使用优化方案,极端嵌套场景下,使用降级方案
        if (effectTrackDepth <= maxMarkerBits) {
          // 标记所有的 dep 为 was
          initDepMarkers(this)
        } else {
          // 降级方案,删除所有的依赖,再重新收集
          cleanupEffect(this)
        }
         // 执行过程中标记新的 dep 为 new
        return this.fn()
      } finally {
        if (effectTrackDepth <= maxMarkerBits) {
          // 对失效依赖进行删除
          finalizeDepMarkers(this)
        }
    // 恢复上一次的状态
        // 嵌套深度 effectTrackDepth 自减
        // 重置操作的位数
        trackOpBit = 1 << --effectTrackDepth
        // 省略代码: 恢复上一个 activeEffect
      }
    }
  }
}

整体的思路如下:

  • 如果当前深度不超过 30,使用优化方案
  1. 执行副作用函数前,给 ReactiveEffect 依赖的响应式变量,加上 was 的标记(was 是 vue 给的名称,表示过去依赖)
  2. 执行 this.fn()track 重新收集依赖时,给 ReactiveEffect 的每个依赖,加上 new 的标记
  3. 对失效依赖进行删除(有 was 但是没有 new)
  4. 恢复上一个深度的状态
  • 如果深度超过 30 ,超过部分,使用降级方案
  1. 双向删除 ReactiveEffect 副作用对象的所有依赖(effect.deps.length = 0)
  2. 执行 this.fn()track 重新收集依赖时
  3. 恢复上一个深度的状态

标记 ReactiveEffect 的所有的 dep 为 was 的实现:


export const initDepMarkers = ({ deps }: ReactiveEffect) => {
  if (deps.length) {
    for (let i = 0; i < deps.length; i++) {
      deps[i].w |= trackOpBit // 遍历每个 dep 标记为 was
    }
  }
}

对失效依赖进行删除的实现如下(有 was 但是没有 new):


1686382012093.png

export const finalizeDepMarkers = (effect: ReactiveEffect) => {
  const { deps } = effect
  if (deps.length) {
    let ptr = 0
    for (let i = 0; i < deps.length; i++) {
      const dep = deps[i]
      //有 was 标记但是没有 new 标记,应当删除
      if (wasTracked(dep) && !newTracked(dep)) {
        dep.delete(effect)
      } else {
        // 需要保留的依赖,放到数据的较前位置,因为在最后会删除较后位置的所有依赖
        deps[ptr++] = dep
      }
      // 清理 was 和 new 标记,将它们对应深度的 bit,置为 0
      dep.w &= ~trackOpBit
      dep.n &= ~trackOpBit
    }
    // 删除依赖,只保留需要的
    deps.length = ptr
  }
}

参考文章


最后


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