一种JavaScript响应式系统设计与实现

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根据VueJs核心团队成员霍春阳《Vue.js设计与实现》第四章前三节整理而成会产生副作用的函数。
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一种JavaScript响应式系统实现

根据VueJs核心团队成员霍春阳《Vue.js设计与实现》第四章前三节整理而成

1. 响应式数据与副作用函数

1.1 副作用函数

会产生副作用的函数。

如下示例所示：

function effect () {     document.body.innerText = 'hello vue3!' }

当effect函数执行时，会设置body的文本内容。但是，除了effect函数之外的任何函数都可以读取或者设置body的文本内容。也就是说，effect函数的执行，会直接或间接影响其他函数的执行，这时，我们说effect函数产生了副作用。

// 此方法的结果就受effect函数的影响 function getInnerText () {     return document.body.innerText }

副作用很容易产生，例如一个函数修改了全局变量，这其实也是一个副作用，如下面代码所示：

let globalValue = 1 function effect () {     globalValue = 3 // 修改全局变量，产生副作用 }

1.2 响应式数据

理解了什么是副作用函数，再来说一说什么是响应式数据。

假设在一个副作用函数中读取了某个对象的属性：

const obj = {     text: 'hello vue2' } function effect () {     document.body.innerText = obj.text // effect 函数的执行会读取obj.text }

如上面代码所示，副作用函数effect会设置body元素的innerText属性，其值为obj.text。当obj.text的值改变时，我们希望副作用函数effect()会重新执行：

obj.text = 'hello vue3' // 修改obj.text的值，同时希望副作用函数重新执行

这句代码修改了字段 obj.text 的值，我们希望当值变化后，副作用函数会重新执行，如果能实现这个目标，那么对象 obj 就是响应式数据。（某数据改变时，依赖该数据的副作用函数会重新执行，该数据即为响应式数据）

但是，从上面代码来看，我们还做不到这一点，因为obj是一个普通的对象，当我们修改它的值时，除了值本身发生变化外，不会有任何其他反应。

2. 响应式数据的基本实现

2.1 如何让 obj 变为响应式数据？

通过观察，我们可以发现 2 点线索：

  • 当副作用函数effect()执行时，会触发字段 obj.text 的读取操作；
  • 当修改 obj.text 的值时，会触发字段 obj.text 的设置操作；

​ 如果我们能拦截一个对象的读取和设置操作，事情就变得简单了。

  • 当读取obj.text 时，我们可以把副作用函数effect()存储到一个“桶”里；

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  • 当设置obj.text时，再把effect()副作用函数从 “桶” 里取出，并执行；

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2.2 如何拦截对象属性的读取和设置操作

在 es5 及之前，只能通过 Obj.defineProperty 来实现，这也是vue2中所采用的方式。

es6以后，可以使用代理对象 Proxy 来实现，这是vue3中的所采用的方式。

实现步骤：

  • 创建一个用于存储副作用函数的容器（或者通俗点说，一个桶，vue3里用了bucket这个词，以后都称为桶）；
  • 定义一个普通对象obj作为原始数据；
  • 创建 obj 对象的代理作为响应式数据，分别设置 get 和 set 拦截函数，用于拦截读和写操作；
  • 当在effect副作用函数中执行响应式数据读操作时，将effect()副作用函数存到桶里；
  • 当对响应式数据进行写操作时，先更新原始数据，再从桶中取出依赖了响应式数据的函数，进行执行；

接下来，根据以上思路，使用Proxy 实现一下：

<!DOCTYPE html> <html lang="en"> <head>   <meta charset="UTF-8">   <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">   <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">   <title>Document</title> </head> <body>   <div id="app">     <p id="title"></p>     <button onclick="changeObj()">修改响应式数据</button>   </div> </body> </html> <script>   // 1. 创建一个存储副作用函数的桶         const bucket = new Set()   // 2. 一个普通的对象   const obj = {     text: 'hello vue2'   }   // 3. 普通对象的代理，一个简单的响应式数据   const objProxy = new Proxy(obj, {     get (target, key) {       bucket.add(effect)       return target[key]     },     set (target, key, newValue) {       target[key] = newValue       bucket.forEach((fn) => {         fn()       })       return true     }   })    // 4. 副作用函数 effect(), 给p标签设置值   const effect = function () {     document.getElementById('title').innerText = objProxy.text   }    // 5. 改变代理对象的元素值   const changeObj = function () {     objProxy.text = 'hello vue3!!!!!!'   }    // 首次进入时，给p标签设置值   effect() </script>

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2.3 缺陷

  • 副作用函数名字叫effect ，是硬编码的，假如叫其他的名字，就无法正确执行了；

3. 完善的响应式系统

3.1 如何存储一个任意命名（甚至匿名）的副作用函数？

需要提供一个用来注册副作用函数的机制，如以下代码所示：

<!DOCTYPE html> <html lang="en"> <head>   <meta charset="UTF-8">   <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">   <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">   <title>Document</title> </head> <body>   <div id="app">     <p id="title"></p>     <button onclick="changeObj()">修改响应式数据</button>   </div> </body> </html> <script> let activeEffect function effectRegister (fn) {   activeEffect = fn   fn() }  const bucket = new Set() const obj = {   text: 'hello vue2' } const objProxy = new Proxy(obj, {   get (target, key) {     if (activeEffect) {       bucket.add(activeEffect)     }     return target[key]   },   set (target, key, newValue) {     target[key] = newValue     bucket.forEach((fn) => {       fn()     })     return true   } }) const changeObj = function () {   objProxy.text = 'hello vue3!!!!!!' }  effectRegister(() => {   document.getElementById('title').innerText = objProxy.text }) </script>

以上方式，通过定义一个全局变量activeEffect，用来存储(匿名)副作用函数。并提供一个注册副作用函数的注册函数 effectRegister，该函数是一个高阶函数，接受一个函数作为参数，保存并执行该函数。将(匿名)副作用函数保存到activeEffect 中，当(匿名)副作用函数执行时，触发响应式数据的读操作，此时将activeEffect 存入副作用函数桶中。

缺陷:

以上方案成功解决了匿名的函数的保存问题，但仍存在一个严重问题：

响应式对象内的不同属性和不同副作用函数的对应问题

下面给响应式数据添加一个属性，以上代码微调为如下：

// ... 省略未改变代码  const setObj = function (key, value) {   objProxy[key] = value }  const changeObj = function () {   setObj('text', 'hello vue3!!!!!!')   setObj('notExist', 'this key is not exist')   console.log(1, bucket) }  effectRegister(() => {   console.log('执行')   document.getElementById('title').innerText = objProxy.text })

执行结果为：

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可以看到，此时副作用函数与obj.notExist 属性并未建立响应关系，但当给 notExist 赋值时，副作用函数也执行了，这显然不对了。

理想情况应该是，a属性与aFunc建立响应式关系，b属性与bFunc建立响应式联系，则 a 改变时，仅 aFunc函数触发执行，b改变时，仅bFunc触发执行。

3.2 如何解决响应式对象内的不同属性和不同副作用函数的对应问题？

问题分析：

导致该问题的根本原因是，我们没有在副作用函数与被操作的目标字段之间建立明确的联系。

例如，但读取属性值时，无论读取到哪一个属性，其实都一样，都会把副作用函数收集到“桶”里；无论设置的是哪一个属性，也会把“桶”里面的副作用函数取出并执行。响应数据属性和副作用函数之间没有明确的联系。

解决方案很简单，只需要在副作用函数与被操作的字段之间建立联系即可。

要实现不同属性值与副作用函数对应，Set类型的数据作为桶已经明显不合适了。

科普下es6几大数据类型：

Set：ES6 提供了新的数据结构 Set。它类似于数组，但是成员的值都是唯一的，没有重复的值。

WeakSet：WeakSet 结构与 Set 类似，也是不重复的值的集合。但是，它与 Set 有两个区别。首先，WeakSet 的成员只能是对象，而不能是其他类型的值。其次，WeakSet 中的对象都是弱引用，即垃圾回收机制不考虑 WeakSet 对该对象的引用，也就是说，如果其他对象都不再引用该对象，那么垃圾回收机制会自动回收该对象所占用的内存，不考虑该对象还存在于 WeakSet 之中。

Map：它类似于对象，也是键值对的集合，但是“键”的范围不限于字符串，各种类型的值（包括对象）都可以当作键。也就是说，Object 结构提供了“字符串—值”的对应，Map 结构提供了“值—值”的对应，是一种更完善的 Hash 结构实现。

WeakMap：WeakMap结构与Map结构类似，也是用于生成键值对的集合。WeakMap与Map的区别有两点。

首先，WeakMap只接受对象作为键名（null除外），不接受其他类型的值作为键名。其次，WeakMap的键名所指向的对象，不计入垃圾回收机制。

新的方案：

首先，来看下如下代码：

  effectRegister(function effectFn () {     document.getElementById('title').innerText = objProxy.text   })

这段代码存在三个角色：

  • 被读取的响应式数据 objProxy;
  • 被读取的响应式数据的属性名 text;
  • 使用effectRegister 函数注册的副作用函数 effectFn;

如果使用 target 来表示一个代理对象所代理的原始对象，用key 来表示被操作的字段名，用effectFn 来表示被注册的副作用函数，那么可以为这三个角色建立如下关系：

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这是一种树型结构，下面举几个例子进行补充说明：

  1. 如果有2个副作用函数同时读取同一个对象的属性值：

    effectRegister(function effectFn1 () {     obj.text })  effectRegister(function effectFn2 () {     obj.text })

​ 那么这三者关系如下：

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  1. 如果一个副作用函数中读取了同一个对象的 2 个不同属性：

    effectRegister(function effectFn () {     obj.text1     obj.text2 }

那么这三者关系如下：

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  1. 如果 2 个不同的副作用函数中读取了 2 个不同对象的不同属性：

    effectRegister(function effectFn1 () {     obj1.text1 })  effectRegister(function effectFn2 () {     obj2.text2 })

    那么这三者关系如下：

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总之，这其实就是一个树形数据结构。这个联系建立起来后，就可以解决前文提到的问题。上文中，如果我们设置了obj2.text2的值，就只会导致 effectFn2 函数重新执行，并不会导致 effectFn1 函数重新执行。

接下来，需要重新设计这个桶。根据对以上几种情况的分析，我们可以总结一下这种数据结构的模型：

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首先，使用WeakMap 代替 Set 来作为桶，将 原始对象 target 作为WeakMap 的key，使用 Map 作为value。在Map 中又以属性值 作为 key值，使用 Set 存储key 对应的副作用函数 effectFn，然后修改 get/set 拦截器代码。

以下，我们将桶命名为 bucket, 每个对象的 属性-副作用函数 存储块 命名为 depsMap，将depsMap中的value部分（Set类型，存储副作用函数）命名为 deps（与vue3响应式实现源码命名保持一致），根据数据结构图，重新编写get/set 拦截器代码：

js:

// WeakMap 类型的桶 const bucket = new WeakMap() // 初始值为undefined let activeEffect // 定义2个对象 const obj_1 = {     text1: 'hello vue',     text2: 'hello jquery' }  const obj_2 = {     text1: 'hello react',     text2: 'hello angular' }  const objProxy1 = new Proxy(obj_1, {     get (target, key) {         // 如果没有注册的副作用函数，直接返回key对应的value值         if (!activeEffect) {             return target[key]         }                  // 获取桶内 target 对象对应的 depsMap         let depsMap = bucket.get(target)         // 如果该对象还没有depsMap,这新建一个         if (!depsMap) {             depsMap = new Map()             bucket.set(target, depsMap)         }                  // 从depsMap中取出属性对应的副作用函数集合         let deps = depsMap.get(key)         // 同理，若不存在，则创建         if (!deps) {             deps = new Set()             depsMap.set(key, deps)         }         deps.add(activeEffect)         return target[key]     },     set (target,key, newValue) {         // 给target的key设置新的value         target[key] = newValue                  // 取出该target对应的depsMap         let depsMap = bucket.get(target)         // depsMap 不存在或为空直接返回         if (!depsMap) {             return         }                  // 取出deps         let deps = depsMap.get(key)         // deps 不存在或为空直接返回         if (!deps) {             return         }         // 依次执行对应副作用函数         deps.forEach((fn) => {             fn()         })         return true     } })  const objProxy2 = new Proxy(obj_2, {     ... })  const effectRegister = function (fn) {     activeEffect = fn     fn() }

演示：

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3.3 思考：为什么桶的结构使用WeakMap而不是Map?

看一段代码：

const map = new Map() const weakmap = new WeakMap() ;(function () {     const foo = { foo: 1}     const bar = { bar: 2}     map.set(foo, 1)     weakmap.set(bar, 2) })(); console.log(map) console.log(weakmap)

思考，打印结果分别是啥？

注意：在浏览器环境下，console打印结果表现出异步行为。

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原因分析：

Map对key是强引用，当立即执行函数结束后，foo仍被map引用，因此map.keys()可以成功打印出key值，而WeakMap对key是弱引用，立即执行函数结束后,bar 失去引用，被垃圾回收器回收掉，因此weakmap.keys()无法取出key值。

结论：

WeakMap经常存储那些只有当key值所引用的对象存在（没有被垃圾回收）时才有价值的信息，例如示例中的target，如果target对象没有任何引用了，说明用户测不需要它了，这是垃圾回收器会完成回收任务。

如果使用Map来代替WeakMap，那即使用户侧没有任何对target的引用，这个target也不会被回收，最终可能导致内存溢出。

4. 总结

以上，我们实现了一个简单的响应系统，核心思路是通过代理来拦截响应数据的读和写的操作，将与对象属性相关的副作用函数进行存储，当对象属性变化时，同步执行相关联的副作用函数，达到响应式的效果。

其实现中混合使用了代理模式和观察者模式。

5. 参考资料

附：程序源码

<!DOCTYPE html> <html lang="en"> <head>   <meta charset="UTF-8">   <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">   <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">   <title>Document</title> </head> <body>   <div id="app">     <p id="title_1"></p>     <p id="title_2"></p>     <button onclick="setObj_1()">修改响应式数据1</button>     <button onclick="setObj_2()">修改响应式数据2</button>   </div> </body> </html> <script>   let activeEffect   let count = 3   let version = 3   const bucket = new WeakMap()   const obj_1 = {     text1: 'hello vue2',     text2: 'hello jq2'   }    const obj_2 = {     text2: 'hello react16',     text1: 'hello ng2'   }    const getProxy = function (obj) {     return new Proxy(obj, {       get (target, key) {         track(target, key)         return target[key]       },       set (target, key, newValue) {         trigger(target, key, newValue)         return true       }     })   }    const track = function (target, key) {     // 如果无副作用函数，则直接返回原始对象值     if (!activeEffect) {       return     }      // 以该代理对象的原始对象作为key值，获取depsMap  (属性和副作用函数之间的对应关系 key --> effectFn)     let depsMap = bucket.get(target)     // 如果不存在depsMap,则新建一个Map与target关联起来     if (!depsMap) {       depsMap = new Map()       bucket.set(target, depsMap)     }     // 根据key从depsMap中获取对应的deps,deps是一个Set     let deps = depsMap.get(key)     // 如果不存在，则新建Set,并与key关联     if (!deps) {       deps = new Set()       depsMap.set(key, deps)     }     // 最后将当前活跃的副作用函数添加到桶里     deps.add(activeEffect)   }    const trigger = function (target, key, newValue) {     target[key] = newValue     let depsMap = bucket.get(target)     if (!depsMap) {       return     }     let deps = depsMap.get(key)     if (!deps) {       return     }      deps.forEach(fn => {       fn()     })   }    const objProxy1 = getProxy(obj_1)   const objProxy2 = getProxy(obj_2)    const effectRegister = function (fn) {     activeEffect = fn     fn()   }    const setObj_1 = function () {     objProxy1.text1 = `hello, vue${count++}`     console.log('bucket-1', bucket)   }    const setObj_2 = function () {     objProxy2.text2 = `hello, react${version++}`     console.log('bucket-2', bucket)   }    console.log('bucket-init', bucket)   effectRegister(function effectFn1 () {     document.getElementById('title_1').innerText = objProxy1.text1   })    effectRegister(function effectFn2 () {     document.getElementById('title_2').innerText = objProxy2.text2   }) </script>
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