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关于Vue3中的响应式原理

作者：SunsetFeng

这篇文章主要介绍了关于Vue3中的响应式原理，具有很好的参考价值，希望对大家有所帮助。如有错误或未考虑完全的地方，望不吝赐教

一、简介

本章内容主要通过具体的简单示例来分析Vue3是如何实现响应式的。理解本章需要了解Vue3的响应式对象。只注重原理设计层面，细节不做太多讲解。

二、响应核心

1.核心源码

export class ReactiveEffect<T = any> {
  //是否激活
  active = true
  //依赖列表
  deps: Dep[] = []
  // can be attached after creation
  computed?: boolean
  //是否允许递归
  allowRecurse?: boolean
  onStop?: () => void
  // dev only
  onTrack?: (event: DebuggerEvent) => void
  // dev only
  onTrigger?: (event: DebuggerEvent) => void
  constructor(
    public fn: () => T,
    public scheduler: EffectScheduler | null = null,
    scope?: EffectScope | null
  ) {
  	//将自身添加到一个全局的EffectScope容器中
    recordEffectScope(this, scope)
  }
  run() {
    if (!this.active) {
      //没有激活,直接调用回调方法
      return this.fn()
    }
    //栈中不存在当前对象
    if (!effectStack.includes(this)) {
      try {
        //推入栈顶,并且置为全局激活对象
        effectStack.push((activeEffect = this))
        //开启依赖收集开关
        enableTracking()
        //位操作符:用于优化
        trackOpBit = 1 << ++effectTrackDepth
        //源码中maxMarkerBits取30 猜测是因为整数位运算时是按照32位计算 当1<<31时为负值了,后续负值的位运算得不到预期结果 所以取的最大30
        if (effectTrackDepth <= maxMarkerBits) {
          //将当前依赖列表的所有依赖置为"已经收集"
          initDepMarkers(this)
        } else {
          //不采用优化模式,使用老流程,直接移除依赖的全部状态
          cleanupEffect(this)
        }
        //调用回调
        return this.fn()
      } finally {
        if (effectTrackDepth <= maxMarkerBits) {
          //断掉依赖关联
          finalizeDepMarkers(this)
        }
        //重置位操作状态
        trackOpBit = 1 << --effectTrackDepth
        //重置依赖收集状态
        resetTracking()
        //栈顶出栈
        effectStack.pop()
        const n = effectStack.length
        activeEffect = n > 0 ? effectStack[n - 1] : undefined
      }
    }
  }
  stop() {
    if (this.active) {
      cleanupEffect(this)
      if (this.onStop) {
        this.onStop()
      }
      this.active = false
    }
  }
}

上述ReactiveEffect对象，其实需要关注的就是一个run方法，这个方法设计得十分巧妙，所有动态响应的本质其实都是通过调用run方法实现的。

比如如下代码：

    let dummy
    const counter = reactive({ num: 0 })
    let innerfunc = () => dummy = counter.num;
    effect(innerfunc)
    //下面的赋值,最终会执行innerfunc,所以dummy会变成7
    counter.num = 7

可能会有疑惑，上述代码并没有出现ReactiveEffect类型的对象，它其实是在effect方法中创建的,我们接下来分析下effect方法。

export function effect<T = any>(
  fn: () => T,
  options?: ReactiveEffectOptions
): ReactiveEffectRunner {
  if ((fn as ReactiveEffectRunner).effect) {
    fn = (fn as ReactiveEffectRunner).effect.fn
  }
  //创建对象并传参
  const _effect = new ReactiveEffect(fn)
  if (options) {
    extend(_effect, options)
    if (options.scope) recordEffectScope(_effect, options.scope)
  }
  if (!options || !options.lazy) {
    //执行
    _effect.run()
  }
  const runner = _effect.run.bind(_effect) as ReactiveEffectRunner
  runner.effect = _effect
  return runner
}

这个方法的简单用法很简单，就是创建一个ReactiveEffect类型对象，然后执行run方法。

可能对于recordEffectScope方法有疑惑，其实这个方法和响应式无关，它的主要作用是将一个ReactiveEffect对象放入一个effectScope容器对象内，这个容器对象可以方便快捷的对容器内所有的ReactiveEffect对象和其子effectScope调用stop方法。只关注响应式的话可以不作考虑。

2.逐步分析上述示例代码

    let dummy
    //步骤1:创建一个响应式对象
    const counter = reactive({ num: 0 })
    let innerfunc = () => dummy = counter.num;
    //步骤2:调用effect方法
    effect(innerfunc)
    //步骤3:修改响应式对象数据
    counter.num = 7

上述的测试代码看似就3个步骤，其实内部做的东西非常多，我们来跟踪下运行流程。 

步骤1：这一步很简单，就是单纯的创建一个Proxy对象，此时counter对象变成响应式的。 

步骤2：effect方法里面最终调用的是run方法，而run方法主要是将自身挂载到全局激活并入栈，此时调用回调方法。回调方法此时为上面innerfunc方法，调用这个方法会读取counter.num属性，读取响应式对象的属性会调用代理拦截处理的get方法，在get方法里面，会收集依赖。此时将依赖存于栈顶的那个ReactiveEffect对象的deps属性中。 

步骤3：当响应式对象的属性修改后，会触发依赖更新，由于触发更新的依赖列表里面存在effect方法里面创建的ReactiveEffect对象，所以会重新调用其run方法，在这儿也就会调用innerfunc方法。所以dummy属性就会跟随counter.num属性的变化而变化

备注：上述三步骤中，提及了收集依赖和触发依赖更新。接下来我们便看一下是如何收集依赖和触发依赖更新的。

3.收集依赖和触发依赖更新

(1).收集依赖

export function track(target: object, type: TrackOpTypes, key: unknown) {
  //是否允许收集
  if (!isTracking()) {
    return
  }
  //对象map
  let depsMap = targetMap.get(target)
  if (!depsMap) {
    targetMap.set(target, (depsMap = new Map()))
  }
  //依赖map
  let dep = depsMap.get(key)
  if (!dep) {
    depsMap.set(key, (dep = createDep()))
  }
  const eventInfo = __DEV__
    ? { effect: activeEffect, target, type, key }
    : undefined
  //收集依赖
  trackEffects(dep, eventInfo)
}
export function trackEffects(
  dep: Dep,
  debuggerEventExtraInfo?: DebuggerEventExtraInfo
) {
  let shouldTrack = false
  if (effectTrackDepth <= maxMarkerBits) {
    if (!newTracked(dep)) {
      //本一轮调用新收集的依赖
      dep.n |= trackOpBit // set newly tracked
      //是否应该被收集
      shouldTrack = !wasTracked(dep)
    }
  } else {
    // Full cleanup mode.
    shouldTrack = !dep.has(activeEffect!)
  }
  if (shouldTrack) {
    //收集依赖
    dep.add(activeEffect!)
    activeEffect!.deps.push(dep)
    if (__DEV__ && activeEffect!.onTrack) {
      activeEffect!.onTrack(
        Object.assign(
          {
            effect: activeEffect!
          },
          debuggerEventExtraInfo
        )
      )
    }
  }
}

上述代码是收集依赖的核心代码。看过我响应式对象文章的话，应该会注意到，在涉及“读”相关操作时，就会调用track方法来收集依赖。此时就是调用的上述track方法。track方法很简单，主要是找到对应的依赖列表，如果没有就创建一个依赖列表。

trackEffects里面先只需要关注收集依赖的逻辑，可以很明显的看到，里面就是一个依赖的双向添加。至于上面的那些逻辑，最主要的目的是防止重复添加依赖，我会在后面的优化环节详细讲。

依赖模型存储模型大致如下:

在这里插入图片描述

(2).触发依赖更新

export function trigger(
  target: object,
  type: TriggerOpTypes,
  key?: unknown,
  newValue?: unknown,
  oldValue?: unknown,
  oldTarget?: Map<unknown, unknown> | Set<unknown>
) {
  //获取依赖map
  const depsMap = targetMap.get(target)
  if (!depsMap) {
    // never been tracked
    return
  }
  let deps: (Dep | undefined)[] = []
  if (type === TriggerOpTypes.CLEAR) {
    // collection being cleared
    // trigger all effects for target
    deps = [...depsMap.values()]
  } else if (key === 'length' && isArray(target)) {
    depsMap.forEach((dep, key) => {
      if (key === 'length' || key >= (newValue as number)) {
        deps.push(dep)
      }
    })
  } else {
    // schedule runs for SET | ADD | DELETE
    if (key !== void 0) {
      deps.push(depsMap.get(key))
    }
    // also run for iteration key on ADD | DELETE | Map.SET
    switch (type) {
      case TriggerOpTypes.ADD:
        if (!isArray(target)) {
          deps.push(depsMap.get(ITERATE_KEY))
          if (isMap(target)) {
            deps.push(depsMap.get(MAP_KEY_ITERATE_KEY))
          }
        } else if (isIntegerKey(key)) {
          // new index added to array -> length changes
          deps.push(depsMap.get('length'))
        }
        break
      case TriggerOpTypes.DELETE:
        if (!isArray(target)) {
          deps.push(depsMap.get(ITERATE_KEY))
          if (isMap(target)) {
            deps.push(depsMap.get(MAP_KEY_ITERATE_KEY))
          }
        }
        break
      case TriggerOpTypes.SET:
        if (isMap(target)) {
          deps.push(depsMap.get(ITERATE_KEY))
        }
        break
    }
  }
  const eventInfo = __DEV__
    ? { target, type, key, newValue, oldValue, oldTarget }
    : undefined
  if (deps.length === 1) {
    if (deps[0]) {
      if (__DEV__) {
        triggerEffects(deps[0], eventInfo)
      } else {
        triggerEffects(deps[0])
      }
    }
  } else {
    const effects: ReactiveEffect[] = []
    for (const dep of deps) {
      if (dep) {
        effects.push(...dep)
      }
    }
    if (__DEV__) {
      triggerEffects(createDep(effects), eventInfo)
    } else {
      triggerEffects(createDep(effects))
    }
  }
}
export function triggerEffects(
  dep: Dep | ReactiveEffect[],
  debuggerEventExtraInfo?: DebuggerEventExtraInfo
) {
  // spread into array for stabilization
  for (const effect of isArray(dep) ? dep : [...dep]) {
    if (effect !== activeEffect || effect.allowRecurse) {
      if (__DEV__ && effect.onTrigger) {
        effect.onTrigger(extend({ effect }, debuggerEventExtraInfo))
      }
      if (effect.scheduler) {
        effect.scheduler()
      } else {
        //只需要关注这儿
        effect.run()
      }
    }
  }
}

trigger方法在响应式对象的"写"操作中调用，这个方法整体上只是根据不同的依赖更新类型，将依赖添加进一个依赖数组里面，最终通过triggerEffects方法更新这个依赖数组里面的依赖。

在triggerEffects方法里面，暂时只需要关注effect.run即可，此时调用的是ReactiveEffect关联的那个回调方法，这时候也就正确的响应式变化了。

至于effect.scheduler，我会在后续的计算属性篇章中讲到，这个方法是给计算属性用的。

三、V3.2的响应式优化

上述篇幅只讲述了一个整体的响应式变化原理，接下来介绍一下V3.2带来的响应式性能优化。我们先看一下Dep类型的定义

export type Dep = Set<ReactiveEffect> & TrackedMarkers
/**
 * wasTracked and newTracked maintain the status for several levels of effect
 * tracking recursion. One bit per level is used to define whether the dependency
 * was/is tracked.
 */
type TrackedMarkers = {
  /**
   * wasTracked
   */
  w: number
  /**
   * newTracked
   */
  n: number
}

可以看到，依赖列表不是一个简简单单的Set集合，它还存在2个用于辅助的属性。我们创建依赖也是通过createDep方法，实现如下：

export const createDep = (effects?: ReactiveEffect[]): Dep => {
  const dep = new Set<ReactiveEffect>(effects) as Dep
  dep.w = 0
  dep.n = 0
  return dep
}

我在这儿先说明一下这2个属性的作用。w属性用于判断依赖是否已经被收集,n属性用于判断依赖在本次调用中是否用到。可能现在还对此有疑惑，我用以下一个简单示例来解释。

let status = true;
let dummy
const depA = reactive({ num: 0 })
const depB = reactive({ num: 10 })
let innerfunc = () => {
	dummy = depA.num
	if(status){
		dummy += depB.num
		status = false
	}
	console.log(dummy);
}
effect(innerfunc)
depA.num = 7
depB.num = 20
//输出为 10 7

我们来分析以下上述代码的流程，首先调用effect方法，会执行一次关联的innerfunc，此时读取了depA和depB的num属性，所以此时ReactiveEffect对象里面的deps属性存在2个依赖，并且输出10。当修改depA.num属性时，会触发run方法，此时关注以下代码：

        if (effectTrackDepth <= maxMarkerBits) {
          //将当前依赖列表的所有依赖置为"已经收集"
          initDepMarkers(this)
        } else {
          //不采用优化模式,使用老流程,直接移除依赖的全部状态
          cleanupEffect(this)
        }

因为调用effect方法时，收集过一次依赖，所以initDepMarkers方法将所有的依赖都标记为已经收集。在run方法最后，会调用innerfunc方法。在innerfunc方法中，这一次调用中又会去收集依赖，此时关注trackEffects中的以下代码：

  if (effectTrackDepth <= maxMarkerBits) {
    if (!newTracked(dep)) {
      //本一轮调用新收集的依赖
      dep.n |= trackOpBit // set newly tracked
      //是否应该被收集
      shouldTrack = !wasTracked(dep)
    }
  } else {
    // Full cleanup mode.
    shouldTrack = !dep.has(activeEffect!)
  }

在run方法中，有一个同样的判断effectTrackDepth <= maxMarkerBits，这个判断是用于控制是否优化的，后面会讲为什么会存在这个判断以及为什么maxMarkerBits的取值为30。

在这个收集逻辑中，会将本次回调中第一次使用到的依赖置为"新增依赖"，我们在看innerfunc，此时只会使用到depA，不会使用到depB，因此之前存在的关于depB对象的依赖在本次调用中没有用到。

shouldTrack属性表示依赖是否应该被收集，如果没有收集，则被收集。此时innerfunc里面输出的dummy为7。

接下来关注run里面的以下代码：

  if (effectTrackDepth <= maxMarkerBits) {
    //断掉依赖关联
    finalizeDepMarkers(this)
  }
  //重置位操作状态
  trackOpBit = 1 << --effectTrackDepth
  //重置依赖收集状态
  resetTracking()
  //栈顶出栈
  effectStack.pop()
  const n = effectStack.length
  activeEffect = n > 0 ? effectStack[n - 1] : undefined

上述代码存在于run方法里面的finally关键字内，当innerfunc执行完后，里面就会执行这里。首先便会根据判断通过finalizeDepMarkers方法去断掉依赖关联。

我们看以下方法的实现：

export const initDepMarkers = ({ deps }: ReactiveEffect) => {
  if (deps.length) {
    for (let i = 0; i < deps.length; i++) {
      deps[i].w |= trackOpBit // set was tracked
    }
  }
}
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]
      if (wasTracked(dep) && !newTracked(dep)) {
        dep.delete(effect)
      } else {
        deps[ptr++] = dep
      }
      // clear bits
      dep.w &= ~trackOpBit
      dep.n &= ~trackOpBit
    }
    deps.length = ptr
  }
}

这2个方法巧妙的通过位运算将调用分层。一开始将存在的依赖打上收集标签，如果在本层中没有使用到，则断掉依赖关联。当设置depB.num = 20时，首先会找到依赖列表，由于依赖列表中已经不存在ReactiveEffect对象了，所以不会触发依赖更新，此时不会有新的输出。

这儿是一个优化，断掉不必要的关联依赖，减少方法的调用。但我们在写类似代码时必须非常小心，由于断掉了依赖关联，有可能会因为写法不规范导致响应失效的情况。

接下来解释为什么要使用位运算，以及保留不走位运算的逻辑。

关注以下代码：

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

当每次触发依赖更新时，如果都调用以上方法，会涉及大量的集合删减操作。

我没看过Set集合的实现，但无非就是数组或者链表。如果使用数组，增删操作会导致数组扩容或者移位，频繁操作会耗费大量性能，如果是链表，也要经过一次查找，大量的调用是会消耗性能的。

那么为什么又要保留这个方法呢，这是因为js引擎在进行整数位运算时几乎都是按32位运算的，1 << 31后为负值，得不到预期结果，因此保留原逻辑。但其实这个逻辑几乎不可能调到，如果真调用到这个原始逻辑，我只能说得检查一下代码是否规范了。

四、后话

关于响应式就介绍到这儿，个人理解，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。

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