最近一两年前端最火的技术莫过于ReactJS，即便你没用过也该听过，ReactJS由业界顶尖的互联网公司facebook提出，其本身有很多先进的设计思路，比如页面UI组件化、虚拟DOM等。本文将带你解开虚拟DOM的神秘面纱，不仅要理解其原理，而且要实现一个基本可用的虚拟DOM。
1.为什么需要虚拟DOM
DOM是很慢的，其元素非常庞大，页面的性能问题鲜有由JS引起的，大部分都是由DOM操作引起的。如果对前端工作进行抽象的话，主要就是维护状态和更新视图；而更新视图和维护状态都需要DOM操作。其实近年来，前端的框架主要发展方向就是解放DOM操作的复杂性。
在jQuery出现以前，我们直接操作DOM结构，这种方法复杂度高，兼容性也较差；有了jQuery强大的选择器以及高度封装的API，我们可以更方便的操作DOM，jQuery帮我们处理兼容性问题，同时也使DOM操作变得简单；但是聪明的程序员不可能满足于此，各种MVVM框架应运而生，有angularJS、avalon、vue.js等，MVVM使用数据双向绑定，使得我们完全不需要操作DOM了，更新了状态视图会自动更新，更新了视图数据状态也会自动更新，可以说MMVM使得前端的开发效率大幅提升，但是其大量的事件绑定使得其在复杂场景下的执行性能堪忧；有没有一种兼顾开发效率和执行效率的方案呢？ReactJS就是一种不错的方案，虽然其将JS代码和HTML代码混合在一起的设计有不少争议，但是其引入的Virtual DOM(虚拟DOM)却是得到大家的一致认同的。
2.理解虚拟DOM
虚拟的DOM的核心思想是：对复杂的文档DOM结构，提供一种方便的工具，进行最小化地DOM操作。这句话，也许过于抽象，却基本概况了虚拟DOM的设计思想
(1) 提供一种方便的工具，使得开发效率得到保证
(2) 保证最小化的DOM操作，使得执行效率得到保证
(1).用JS表示DOM结构
DOM很慢，而javascript很快，用javascript对象可以很容易地表示DOM节点。DOM节点包括标签、属性和子节点，通过VElement表示如下。
//虚拟dom，参数分别为标签名、属性对象、子DOM列表
var VElement = function(tagName, props, children) {
//保证只能通过如下方式调用：new VElement
if (!(this instanceof VElement)) {
return new VElement(tagName, props, children);
}
//可以通过只传递tagName和children参数
if (util.isArray(props)) {
children = props;
props = {};
}
//设置虚拟dom的相关属性
this.tagName = tagName;
this.props = props || {};
this.children = children || [];
this.key = props ? props.key : void 666;
var count = 0;
util.each(this.children, function(child, i) {
if (child instanceof VElement) {
count += child.count;
} else {
children[i] = '' + child;
}
count++;
});
this.count = count;
}
通过VElement，我们可以很简单地用javascript表示DOM结构。比如
var vdom = velement('div', { 'id': 'container' }, [
velement('h1', { style: 'color:red' }, ['simple virtual dom']),
velement('p', ['hello world']),
velement('ul', [velement('li', ['item #1']), velement('li', ['item #2'])]),
]);
上面的javascript代码可以表示如下DOM结构：
<div id="container">
<h1 style="color:red">simple virtual dom</h1>
<p>hello world</p>
<ul>
<li>item #1</li>
<li>item #2</li>
</ul>
</div>
同样我们可以很方便地根据虚拟DOM树构建出真实的DOM树。具体思路：根据虚拟DOM节点的属性和子节点递归地构建出真实的DOM树。见如下代码：
VElement.prototype.render = function() {
//创建标签
var el = document.createElement(this.tagName);
//设置标签的属性
var props = this.props;
for (var propName in props) {
var propValue = props[propName]
util.setAttr(el, propName, propValue);
}
//依次创建子节点的标签
util.each(this.children, function(child) {
//如果子节点仍然为velement，则递归的创建子节点，否则直接创建文本类型节点
var childEl = (child instanceof VElement) ? child.render() : document.createTextNode(child);
el.appendChild(childEl);
});
return el;
}
对一个虚拟的DOM对象VElement，调用其原型的render方法，就可以产生一颗真实的DOM树。
既然我们可以用JS对象表示DOM结构，那么当数据状态发生变化而需要改变DOM结构时，我们先通过JS对象表示的虚拟DOM计算出实际DOM需要做的最小变动，然后再操作实际DOM，从而避免了粗放式的DOM操作带来的性能问题。
(2).比较两棵虚拟DOM树的差异
在用JS对象表示DOM结构后，当页面状态发生变化而需要操作DOM时，我们可以先通过虚拟DOM计算出对真实DOM的最小修改量，然后再修改真实DOM结构(因为真实DOM的操作代价太大)。
如下图所示，两个虚拟DOM之间的差异已经标红：
为了便于说明问题，我当然选取了最简单的DOM结构，两个简单DOM之间的差异似乎是显而易见的，但是真实场景下的DOM结构很复杂，我们必须借助于一个有效的DOM树比较算法。
设计一个diff算法有两个要点：
<1> 如何比较两个两棵DOM树
计算两棵树之间差异的常规算法复杂度为O(n3)，一个文档的DOM结构有上百个节点是很正常的情况，这种复杂度无法应用于实际项目。针对前端的具体情况：我们很少跨级别的修改DOM节点，通常是修改节点的属性、调整子节点的顺序、添加子节点等。因此，我们只需要对同级别节点进行比较，避免了diff算法的复杂性。对同级别节点进行比较的常用方法是深度优先遍历：
function diff(oldTree, newTree) {
//节点的遍历顺序
var index = 0;
//在遍历过程中记录节点的差异
var patches = {};
//深度优先遍历两棵树
dfsWalk(oldTree, newTree, index, patches);
return patches;
}
<2>如何记录节点之间的差异
由于我们对DOM树采取的是同级比较，因此节点之间的差异可以归结为4种类型：
修改节点属性, 用PROPS表示
修改节点文本内容, 用TEXT表示
替换原有节点, 用REPLACE表示
调整子节点，包括移动、删除等，用REORDER表示
对于节点之间的差异，我们可以很方便地使用上述四种方式进行记录，比如当旧节点被替换时：
{type:REPLACE,node:newNode}
而当旧节点的属性被修改时：
{type:PROPS,props: newProps}
在深度优先遍历的过程中，每个节点都有一个编号，如果对应的节点有变化，只需要把相应变化的类别记录下来即可。下面是具体实现：
function dfsWalk(oldNode, newNode, index, patches) {
var currentPatch = [];
if (newNode === null) {
//依赖listdiff算法进行标记为删除
} else if (util.isString(oldNode) && util.isString(newNode)) {
if (oldNode !== newNode) {
//如果是文本节点则直接替换文本
currentPatch.push({
type: patch.TEXT,
content: newNode
});
}
} else if (oldNode.tagName === newNode.tagName && oldNode.key === newNode.key) {
//节点类型相同
//比较节点的属性是否相同
var propsPatches = diffProps(oldNode, newNode);
if (propsPatches) {
currentPatch.push({
type: patch.PROPS,
props: propsPatches
});
}
//比较子节点是否相同
diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, patches, currentPatch);
} else {
//节点的类型不同，直接替换
currentPatch.push({ type: patch.REPLACE, node: newNode });
}
if (currentPatch.length) {
patches[index] = currentPatch;
}
}
比如对上文图中的两颗虚拟DOM树，可以用如下数据结构记录它们之间的变化：
var patches = {
1:{type:REPLACE,node:newNode}, //h1节点变成h5
5:{type:REORDER,moves:changObj} //ul新增了子节点li
}
(3).对真实DOM进行最小化修改
通过虚拟DOM计算出两颗真实DOM树之间的差异后，我们就可以修改真实的DOM结构了。上文深度优先遍历过程产生了用于记录两棵树之间差异的数据结构patches, 通过使用patches我们可以方便对真实DOM做最小化的修改。
//将差异应用到真实DOM
function applyPatches(node, currentPatches) {
util.each(currentPatches, function(currentPatch) {
switch (currentPatch.type) {
//当修改类型为REPLACE时
case REPLACE:
var newNode = (typeof currentPatch.node === 'String')
? document.createTextNode(currentPatch.node)
: currentPatch.node.render();
node.parentNode.replaceChild(newNode, node);
break;
//当修改类型为REORDER时
case REORDER:
reoderChildren(node, currentPatch.moves);
break;
//当修改类型为PROPS时
case PROPS:
setProps(node, currentPatch.props);
break;
//当修改类型为TEXT时
case TEXT:
if (node.textContent) {
node.textContent = currentPatch.content;
} else {
node.nodeValue = currentPatch.content;
}
break;
default:
throw new Error('Unknow patch type ' + currentPatch.type);
}
});
}
至此，虚拟DOM的基本原理已经基本讲解完成了；我们也一起实现了一个基本可用的虚拟DOM。本文中只给出了关键的源代码，全部源代码请参考我的github。