Vue.js依赖收集与追踪机制深度剖析
本文目标
学完本文,你将能够:
- 理解Vue.js如何精确知道哪些组件需要更新
- 掌握Dep、Watcher、Observer三大核心类的协作机制
- 深入理解依赖收集的时机和完整过程
- 能够手写一个完整的依赖收集系统
- 解决实际开发中的依赖追踪问题
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引言:为什么Vue知道哪些组件需要更新?
在使用Vue.js时,你是否想过这样一个问题:当我们修改一个数据时,Vue是如何精确地知道哪些组件用到了这个数据,并只更新这些组件的?
// 假设有这样的场景
const app = new Vue({
data: {
user: {
name: 'John',
age: 25
}
}
});
// 组件A只用到了user.name
// 组件B只用到了user.age
// 组件C同时用到了name和age
// 当我们修改user.name时
app.user.name = 'Jane';
// Vue如何知道只需要更新组件A和C,而不更新组件B?
这就是Vue.js依赖收集机制的神奇之处。让我们深入探索这个精妙的设计。
依赖收集的核心概念
什么是依赖?
在Vue.js中,"依赖"指的是数据和使用该数据的地方之间的关系。当一个组件的渲染函数中访问了某个响应式数据,我们就说这个组件"依赖"于这个数据。
组件A渲染] B --> D[Watcher 2
组件B渲染] B --> E[Watcher 3
计算属性] F[数据变化] --> G[通知依赖] G --> C G --> D G --> E
三大核心角色
Vue.js的依赖收集机制主要由三个核心类协作完成:
- Observer(观察者):负责将普通对象转换为响应式对象
- Dep(依赖管理器):负责收集和管理依赖
- Watcher(观察者):代表一个依赖,当数据变化时执行相应的更新
依赖收集系统的完整实现
让我们从零开始实现一个完整的依赖收集系统,逐步理解其工作原理。
第一步:实现Dep类(依赖管理器)
// Dep类:依赖管理器
// 每个响应式属性都有一个对应的Dep实例
let uid = 0;
class Dep {
constructor() {
this.id = uid++;
this.subs = []; // 存储所有依赖(Watcher实例)
}
// 添加依赖
addSub(sub) {
this.subs.push(sub);
}
// 移除依赖
removeSub(sub) {
const index = this.subs.indexOf(sub);
if (index > -1) {
this.subs.splice(index, 1);
}
}
// 收集依赖
depend() {
if (Dep.target) {
// Dep.target是当前正在执行的Watcher
Dep.target.addDep(this);
}
}
// 通知所有依赖更新
notify() {
// 复制一份,避免在更新过程中subs被修改
const subs = this.subs.slice();
console.log(`[Dep ${this.id}] 通知 ${subs.length} 个依赖更新`);
for (let i = 0; i < subs.length; i++) {
subs[i].update();
}
}
}
// 当前正在执行的Watcher
// 这是一个全局变量,用于依赖收集
Dep.target = null;
// 用于管理Dep.target的栈
const targetStack = [];
// 将当前Watcher推入栈中
function pushTarget(target) {
targetStack.push(target);
Dep.target = target;
}
// 将当前Watcher弹出栈
function popTarget() {
targetStack.pop();
Dep.target = targetStack[targetStack.length - 1];
}
第二步:实现Watcher类(观察者)
// Watcher类:观察者
// 代表一个需要在数据变化时执行的操作
let watcherId = 0;
class Watcher {
constructor(vm, expOrFn, cb, options = {}) {
this.vm = vm;
this.id = watcherId++;
// 执行函数(渲染函数或计算函数)
if (typeof expOrFn === 'function') {
this.getter = expOrFn;
} else {
// 支持简单的属性路径,如 'user.name'
this.getter = parsePath(expOrFn);
}
this.cb = cb; // 回调函数
this.deep = !!options.deep; // 是否深度观察
this.lazy = !!options.lazy; // 是否懒执行(用于计算属性)
this.dirty = this.lazy; // 懒执行时的脏检查标志
// 依赖相关
this.deps = []; // 当前依赖列表
this.newDeps = []; // 新的依赖列表
this.depIds = new Set(); // 依赖id集合
this.newDepIds = new Set(); // 新的依赖id集合
// 立即执行一次,收集依赖
this.value = this.lazy ? undefined : this.get();
}
// 执行getter,重新收集依赖
get() {
pushTarget(this); // 将自己设为当前target
let value;
const vm = this.vm;
try {
// 执行getter时会触发响应式数据的getter
// 从而触发依赖收集
value = this.getter.call(vm, vm);
} catch (e) {
console.error(`Watcher ${this.id} getter error:`, e);
} finally {
// 深度观察处理
if (this.deep) {
traverse(value); // 递归访问所有属性
}
popTarget(); // 恢复之前的target
this.cleanupDeps(); // 清理依赖
}
return value;
}
// 添加依赖
addDep(dep) {
const id = dep.id;
if (!this.newDepIds.has(id)) {
this.newDepIds.add(id);
this.newDeps.push(dep);
// 避免重复收集
if (!this.depIds.has(id)) {
dep.addSub(this);
}
}
}
// 清理不再需要的依赖
cleanupDeps() {
// 移除旧依赖中不在新依赖中的
let i = this.deps.length;
while (i--) {
const dep = this.deps[i];
if (!this.newDepIds.has(dep.id)) {
dep.removeSub(this);
}
}
// 交换deps和newDeps
let tmp = this.depIds;
this.depIds = this.newDepIds;
this.newDepIds = tmp;
this.newDepIds.clear();
tmp = this.deps;
this.deps = this.newDeps;
this.newDeps = tmp;
this.newDeps.length = 0;
}
// 数据更新时调用
update() {
console.log(`[Watcher ${this.id}] 收到更新通知`);
if (this.lazy) {
// 懒执行模式,仅标记为dirty
this.dirty = true;
} else {
// 将更新操作加入队列,异步执行
queueWatcher(this);
}
}
// 执行更新
run() {
const oldValue = this.value;
this.value = this.get();
if (oldValue !== this.value || isObject(this.value) || this.deep) {
// 触发回调
if (this.cb) {
this.cb.call(this.vm, this.value, oldValue);
}
}
}
// 用于计算属性的求值
evaluate() {
this.value = this.get();
this.dirty = false;
}
// 让当前Watcher的所有依赖也收集当前target
depend() {
let i = this.deps.length;
while (i--) {
this.deps[i].depend();
}
}
}
// 解析简单路径
function parsePath(path) {
const segments = path.split('.');
return function(obj) {
for (let i = 0; i < segments.length; i++) {
if (!obj) return;
obj = obj[segments[i]];
}
return obj;
};
}
// 深度遍历对象
function traverse(val) {
const seenObjects = new Set();
function _traverse(val, seen) {
if (!isObject(val) || val.__v_skip) {
return;
}
if (seen.has(val)) {
return; // 避免循环引用
}
seen.add(val);
if (Array.isArray(val)) {
for (let i = 0; i < val.length; i++) {
_traverse(val[i], seen);
}
} else {
const keys = Object.keys(val);
for (let i = 0; i < keys.length; i++) {
_traverse(val[keys[i]], seen);
}
}
}
_traverse(val, seenObjects);
}
第三步:实现Observer类(观察者)
// Observer类:将普通对象转换为响应式对象
class Observer {
constructor(value) {
this.value = value;
this.dep = new Dep(); // 用于数组和对象本身的依赖收集
// 给对象添加__ob__属性,指向Observer实例
def(value, '__ob__', this);
if (Array.isArray(value)) {
// 处理数组
this.observeArray(value);
// 重写数组方法
protoAugment(value, arrayMethods);
} else {
// 处理对象
this.walk(value);
}
}
// 遍历对象的所有属性,使其响应式
walk(obj) {
const keys = Object.keys(obj);
for (let i = 0; i < keys.length; i++) {
defineReactive(obj, keys[i]);
}
}
// 观察数组中的每个元素
observeArray(items) {
for (let i = 0; i < items.length; i++) {
observe(items[i]);
}
}
}
// 尝试为value创建一个Observer实例
function observe(value) {
if (!isObject(value)) {
return;
}
let ob;
if (hasOwn(value, '__ob__') && value.__ob__ instanceof Observer) {
ob = value.__ob__;
} else {
ob = new Observer(value);
}
return ob;
}
// 定义响应式属性
function defineReactive(obj, key, val) {
const dep = new Dep(); // 每个属性都有自己的dep
// 获取属性描述符
const property = Object.getOwnPropertyDescriptor(obj, key);
if (property && property.configurable === false) {
return;
}
// 保存原有的getter/setter
const getter = property && property.get;
const setter = property && property.set;
// 如果没有getter但有setter,需要通过obj[key]获取初始值
if ((!getter || setter) && arguments.length === 2) {
val = obj[key];
}
// 递归观察子对象
let childOb = observe(val);
Object.defineProperty(obj, key, {
enumerable: true,
configurable: true,
get: function reactiveGetter() {
// 如果原本有getter,使用原getter的返回值
const value = getter ? getter.call(obj) : val;
// 依赖收集的关键时机!
if (Dep.target) {
console.log(`[Getter] 属性 "${key}" 被访问,收集依赖`);
dep.depend(); // 收集依赖
if (childOb) {
// 子对象也收集依赖
childOb.dep.depend();
// 如果是数组,需要对数组元素进行依赖收集
if (Array.isArray(value)) {
dependArray(value);
}
}
}
return value;
},
set: function reactiveSetter(newVal) {
// 获取旧值
const value = getter ? getter.call(obj) : val;
// 值没有变化,直接返回
if (newVal === value || (newVal !== newVal && value !== value)) {
return;
}
console.log(`[Setter] 属性 "${key}" 被修改: ${value} -> ${newVal}`);
// 如果原本有setter,调用原setter
if (setter) {
setter.call(obj, newVal);
} else {
val = newVal;
}
// 对新值进行观察
childOb = observe(newVal);
// 通知所有依赖更新
dep.notify();
}
});
}
// 数组依赖收集
function dependArray(value) {
for (let i = 0; i < value.length; i++) {
const item = value[i];
if (item && item.__ob__) {
item.__ob__.dep.depend();
}
if (Array.isArray(item)) {
dependArray(item);
}
}
}
第四步:实现更新队列(异步更新)
// 更新队列,避免同一个Watcher被多次触发
const queue = [];
const has = {};
let waiting = false;
let flushing = false;
let index = 0;
// 将Watcher加入更新队列
function queueWatcher(watcher) {
const id = watcher.id;
// 避免重复加入
if (has[id] == null) {
has[id] = true;
if (!flushing) {
queue.push(watcher);
} else {
// 如果正在刷新队列,将watcher插入到合适的位置
let i = queue.length - 1;
while (i > index && queue[i].id > watcher.id) {
i--;
}
queue.splice(i + 1, 0, watcher);
}
// 开始异步更新
if (!waiting) {
waiting = true;
// 在下一个tick执行更新
nextTick(flushSchedulerQueue);
}
}
}
// 刷新更新队列
function flushSchedulerQueue() {
flushing = true;
let watcher, id;
// 按id排序,确保:
// 1. 父组件先于子组件更新
// 2. 用户watcher先于渲染watcher执行
// 3. 如果父组件watcher执行时销毁了子组件,可以跳过子组件watcher
queue.sort((a, b) => a.id - b.id);
// 不缓存queue.length,因为在执行watcher时可能会有新的watcher加入
for (index = 0; index < queue.length; index++) {
watcher = queue[index];
id = watcher.id;
has[id] = null;
console.log(`[Scheduler] 执行Watcher ${id} 的更新`);
watcher.run();
}
// 重置状态
resetSchedulerState();
console.log('[Scheduler] 更新队列执行完毕');
}
// 重置调度器状态
function resetSchedulerState() {
index = queue.length = 0;
has = {};
waiting = flushing = false;
}
// 简化版的nextTick实现
function nextTick(cb) {
return Promise.resolve().then(cb);
}
依赖收集的完整流程
现在让我们通过一个完整的示例来理解依赖收集的全过程:
// 完整的使用示例
class MiniVue {
constructor(options) {
this.$options = options;
this._data = options.data;
// 代理data到vm实例上
Object.keys(this._data).forEach(key => {
proxy(this, '_data', key);
});
// 观察数据
observe(this._data);
// 创建渲染Watcher
new Watcher(this, options.render, () => {
console.log('[渲染Watcher] 视图需要更新');
});
}
}
// 代理函数
function proxy(target, sourceKey, key) {
Object.defineProperty(target, key, {
enumerable: true,
configurable: true,
get() {
return target[sourceKey][key];
},
set(val) {
target[sourceKey][key] = val;
}
});
}
// 测试依赖收集
const vm = new MiniVue({
data: {
message: 'Hello',
user: {
name: 'John',
age: 25
},
items: [1, 2, 3]
},
render() {
// 模拟渲染函数,访问数据
console.log(`[Render] 渲染视图: ${this.message}, ${this.user.name}`);
return `<div>${this.message} ${this.user.name}</div>`;
}
});
// 创建一个计算属性Watcher
const computedWatcher = new Watcher(vm, function() {
return this.user.name + ' - ' + this.user.age;
}, null, { lazy: true });
// 创建一个监听Watcher
const watchWatcher = new Watcher(vm, 'user.name', function(newVal, oldVal) {
console.log(`[Watch] user.name changed: ${oldVal} -> ${newVal}`);
});
// 测试数据修改
console.log('\n--- 修改message ---');
vm.message = 'Hi';
console.log('\n--- 修改user.name ---');
vm.user.name = 'Jane';
console.log('\n--- 修改user.age ---');
vm.user.age = 30;
解决复杂场景
1. 循环依赖问题
在实际应用中,可能会遇到循环依赖的情况:
// 循环依赖示例
const vm = new MiniVue({
data: {
a: 1
},
computed: {
b() {
return this.a + this.c;
},
c() {
return this.b + 1; // 循环依赖!
}
}
});
// 解决方案:使用依赖追踪避免无限循环
class ComputedWatcher extends Watcher {
constructor(vm, getter, options) {
super(vm, getter, null, { ...options, lazy: true });
this.computing = false; // 标记是否正在计算
}
evaluate() {
if (this.computing) {
console.warn(`[Warning] 检测到循环依赖: ${this.getter.name}`);
return this.value;
}
this.computing = true;
this.value = this.get();
this.dirty = false;
this.computing = false;
return this.value;
}
}
2. 动态添加响应式属性
Vue.js 2.x 无法检测到动态添加的属性,需要特殊处理:
// Vue.set的实现
function set(target, key, val) {
// 处理数组
if (Array.isArray(target) && isValidArrayIndex(key)) {
target.length = Math.max(target.length, key);
target.splice(key, 1, val);
return val;
}
// 已存在的属性,直接赋值
if (key in target && !(key in Object.prototype)) {
target[key] = val;
return val;
}
const ob = target.__ob__;
// 非响应式对象,直接赋值
if (!ob) {
target[key] = val;
return val;
}
// 添加响应式属性
defineReactive(ob.value, key, val);
ob.dep.notify(); // 通知对象的依赖更新
return val;
}
// 使用示例
const vm = new MiniVue({
data: {
user: {
name: 'John'
}
}
});
// 动态添加响应式属性
set(vm.user, 'email', '[email protected]');
3. 数组变化检测
Vue.js通过重写数组方法来实现数组变化检测:
// 需要重写的数组方法
const methodsToPatch = [
'push',
'pop',
'shift',
'unshift',
'splice',
'sort',
'reverse'
];
// 创建数组方法拦截器
const arrayProto = Array.prototype;
const arrayMethods = Object.create(arrayProto);
methodsToPatch.forEach(function(method) {
const original = arrayProto[method];
def(arrayMethods, method, function mutator(...args) {
const result = original.apply(this, args);
const ob = this.__ob__;
let inserted;
switch (method) {
case 'push':
case 'unshift':
inserted = args;
break;
case 'splice':
inserted = args.slice(2);
break;
}
// 对新增的元素进行观察
if (inserted) ob.observeArray(inserted);
// 通知变化
console.log(`[Array] 方法 "${method}" 被调用`);
ob.dep.notify();
return result;
});
});
// 工具函数
function def(obj, key, val, enumerable) {
Object.defineProperty(obj, key, {
value: val,
enumerable: !!enumerable,
writable: true,
configurable: true
});
}
function protoAugment(target, src) {
target.__proto__ = src;
}
调试技巧和性能优化
1. 依赖追踪调试
// 添加调试工具
class DebugWatcher extends Watcher {
constructor(...args) {
super(...args);
this.debugName = args[3]?.debugName || `Watcher${this.id}`;
}
addDep(dep) {
console.log(`[Debug] ${this.debugName} 收集依赖 Dep${dep.id}`);
super.addDep(dep);
}
update() {
console.log(`[Debug] ${this.debugName} 收到更新通知`);
super.update();
}
run() {
console.time(`[Debug] ${this.debugName} 执行更新`);
super.run();
console.timeEnd(`[Debug] ${this.debugName} 执行更新`);
}
}
// 可视化依赖关系
function visualizeDeps(vm) {
const deps = new Map();
const watchers = new Map();
// 收集所有的Dep和Watcher
function collectDep(obj, path = '') {
if (!isObject(obj)) return;
if (obj.__ob__) {
const dep = obj.__ob__.dep;
deps.set(dep.id, {
path: path || 'root',
subs: dep.subs.map(w => w.id)
});
}
Object.keys(obj).forEach(key => {
const val = obj[key];
const descriptor = Object.getOwnPropertyDescriptor(obj, key);
if (descriptor && descriptor.get && descriptor.get._computedWatcher) {
const watcher = descriptor.get._computedWatcher;
watchers.set(watcher.id, {
type: 'computed',
path: `${path}.${key}`,
deps: watcher.deps.map(d => d.id)
});
}
if (isObject(val)) {
collectDep(val, path ? `${path}.${key}` : key);
}
});
}
collectDep(vm._data);
console.log('=== 依赖关系图 ===');
console.log('Deps:', deps);
console.log('Watchers:', watchers);
return { deps, watchers };
}
2. 性能优化建议
// 1. 避免不必要的依赖收集
class OptimizedWatcher extends Watcher {
constructor(vm, expOrFn, cb, options = {}) {
super(vm, expOrFn, cb, options);
// 添加依赖收集开关
this.shouldCollect = true;
}
get() {
if (!this.shouldCollect) {
// 临时禁用依赖收集
const result = this.getter.call(this.vm, this.vm);
return result;
}
return super.get();
}
// 手动控制依赖收集
disableCollection(fn) {
this.shouldCollect = false;
const result = fn();
this.shouldCollect = true;
return result;
}
}
// 2. 批量更新优化
class BatchUpdater {
constructor() {
this.queue = [];
this.has = {};
this.pending = false;
}
push(watcher) {
const id = watcher.id;
if (!this.has[id]) {
this.has[id] = true;
this.queue.push(watcher);
if (!this.pending) {
this.pending = true;
Promise.resolve().then(() => this.flush());
}
}
}
flush() {
this.pending = false;
const queue = this.queue.slice();
this.queue = [];
this.has = {};
// 批量执行更新
queue.sort((a, b) => a.id - b.id);
queue.forEach(watcher => watcher.run());
}
}
// 3. 大数据集优化
function optimizeForLargeData(data, options = {}) {
const {
maxDepth = 3, // 最大观察深度
ignoreKeys = [], // 忽略的键
lazyKeys = [] // 延迟观察的键
} = options;
function shouldObserve(val, key, depth) {
if (depth > maxDepth) return false;
if (ignoreKeys.includes(key)) return false;
if (!isObject(val)) return false;
// 大数组延迟观察
if (Array.isArray(val) && val.length > 1000) {
console.warn(`[Performance] 大数组 "${key}" (length: ${val.length}) 建议使用虚拟滚动`);
return false;
}
return true;
}
function observeWithOptions(val, depth = 0) {
if (!shouldObserve(val, '', depth)) return;
const ob = new Observer(val);
if (val && typeof val === 'object') {
Object.keys(val).forEach(key => {
if (shouldObserve(val[key], key, depth + 1)) {
observeWithOptions(val[key], depth + 1);
}
});
}
return ob;
}
return observeWithOptions(data);
}
总结
通过本文的深入剖析,我们完整地理解了Vue.js依赖收集机制的工作原理:
-
依赖收集的时机:在Watcher执行getter函数时,会访问响应式数据,触发数据的getter,此时进行依赖收集
-
三者协作关系:
- Observer负责将数据转换为响应式
- Dep负责管理依赖关系
- Watcher代表一个具体的依赖
-
更新流程:数据变化 - 触发setter - Dep通知所有Watcher - Watcher执行更新
-
性能优化要点:
- 使用异步更新队列避免重复更新
- 合理控制观察深度
- 对大数据集进行特殊处理
理解了依赖收集机制,你就掌握了Vue.js响应式系统的核心。这个设计不仅优雅地解决了数据和视图的同步问题,还为我们提供了很多架构设计的启发。
练习题
- 尝试实现一个支持数组索引访问的依赖收集系统
- 设计一个可以可视化展示依赖关系的调试工具
- 优化Watcher,支持条件性依赖收集(只在特定条件下收集依赖)
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