JavaScript 进阶之深入理解数据双向绑定

前言

谈起当前前端最热门的 js 框架,必少不了 Vue、React、Angular,对于大多数人来说,我们更多的是在使用框架,对于框架解决痛点背后使用的基本原理往往关注不多,近期在研读 Vue.js 源码,也在写源码解读的系列文章。和多数源码解读的文章不同的是,我会尝试从一个初级前端的角度入手,由浅入深去讲解源码实现思路和基本的语法知识,通过一些基础事例一步步去实现一些小功能。

本场 Chat 是系列 Chat 的开篇,我会首先讲解一下数据双向绑定的基本原理,介绍对比一下三大框架的不同实现方式,同时会一步步完成一个简单的mvvm示例。读源码不是目的,只是一种学习的方式,目的是在读源码的过程中提升自己,学习基本原理,拓展编码的思维方式。

模板引擎实现原理

对于页面渲染,一般分为服务器端渲染和浏览器端渲染。一般来说服务器端吐html页面的方式渲染速度更快、更利于SEO,但是浏览器端渲染更利于提高开发效率和减少维护成本,是一种相关舒服的前后端协作模式,后端提供接口,前端做视图和交互逻辑。前端通过Ajax请求数据然后拼接html字符串或者使用js模板引擎、数据驱动的框架如Vue进行页面渲染。

在ES6和Vue这类框架出现以前,前端绑定数据的方式是动态拼接html字符串和js模板引擎。模板引擎起到数据和视图分离的作用,模板对应视图,关注如何展示数据,在模板外头准备的数据, 关注那些数据可以被展示。模板引擎的工作原理可以简单地分成两个步骤:模板解析 / 编译(Parse / Compile)和数据渲染(Render)两部分组成,当今主流的前端模板有三种方式:

  • String-based templating (基于字符串的parse和compile过程)
  • Dom-based templating (基于Dom的link或compile过程)
  • Living templating (基于字符串的parse 和 基于dom的compile过程)

String-based templating

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基于字符串的模板引擎,本质上依然是字符串拼接的形式,只是一般的库做了封装和优化,提供了更多方便的语法简化了我们的工作。基本原理如下:

典型的库:

之前的一篇文章中我介绍了js模板引擎的实现思路,感兴趣的朋友可以看看这里:JavaScript进阶学习(一)—— 基于正则表达式的简单js模板引擎实现。这篇文章中我们利用正则表达式实现了一个简单的js模板引擎,利用正则匹配查找出模板中{{}}之间的内容,然后替换为模型中的数据,从而实现视图的渲染。

源代码:http://jsfiddle.net/zhaomengh…

现在ES6支持了模板字符串,我们可以用比较简单的代码就可以实现类似的功能:

Dom-based templating

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Dom-based templating 则是从DOM的角度去实现数据的渲染,我们通过遍历DOM树,提取属性与DOM内容,然后将数据写入到DOM树中,从而实现页面渲染。一个简单的例子如下:

源代码:http://jsfiddle.net/zhaomengh…

页面渲染的函数 renderDom 是直接遍历DOM树,而不是遍历html字符串。遍历DOM树节点属性(attributes)和子节点(childNodes),然后调用渲染函数render。当DOM树子节点的类型是元素时,递归调用遍历DOM树的方法。根据DOM树节点类型一直遍历子节点,直到文本节点。

render的函数作用是提取{{}}中的关键词,然后使用数据模型中的数据进行替换。我们通过textContent获取Node节点的nodeValue,然后使用字符串的split方法对nodeValue进行分割,提取{{}}中的关键词然后替换为数据模型中的值。

DOM 的相关基础

注:元素类型对应NodeType

元素类型 NodeType
元素 1
属性 2
文本 3
注释 8
文档 9

childNodes 属性返回包含被选节点的子节点的 NodeList。childNodes包含的不仅仅只有html节点,所有属性,文本、注释等节点都包含在childNodes里面。children只返回元素如input, span, script, div等,不会返回TextNode,注释。

数据双向绑定实现原理

js模板引擎可以认为是一个基于MVC的结构,我们通过建立模板作为视图,然后通过引擎函数作为控制器实现数据和视图的绑定,从而实现实现数据在页面渲染,但是当数据模型发生变化时,视图不能自动更新;当视图数据发生变化时,模型数据不能实现更新,这个时候双向数据绑定应运而生。检测视图数据更新实现数据绑定的方法有很多种,目前主要分为三个流派,Angular使用的是脏检查,只在特定的事件下才会触发视图刷新,Vue使用的是Getter/Setter机制,而React则是通过 Virtual DOM 算法检查DOM的变动的刷新机制。

本文限于篇幅和内容在此只探讨一下 Vue.js 数据绑定的实现,对于 angular 和 react 后续再做说明,读者也可以自行阅读源码。Vue 监听数据变化的机制是把一个普通 JavaScript 对象传给 Vue 实例的 data 选项,Vue 将遍历此对象所有的属性,并使用 Object.defineProperty 把这些属性全部转为 getter/setter。Vue 2.x 对 Virtual DOM 进行了支持,这部分内容后续我们再做探讨。

引子

为了更好的理解Vue中视图和数据更新的机制,我们先看一个简单的例子:

这里我们可以看出对象o的b属性的值依赖于a属性的值,同时b属性值的变化又可以改变a属性的值,这个过程相关的属性值的变化都会影响其他相关的值进行更新。反过来我们看看如果不使用Object.defineProperty()方法,上述的问题通过直接给对象属性赋值的方法实现,代码如下

很显然使用Object.defineProperty()方法可以更方便的监听一个对象的变化。当我们的视图和数据任何一方发生变化的时候,我们希望能够通知对方也更新,这就是所谓的数据双向绑定。既然明白这个道理我们就可以看看Vue源码中相关的处理细节。

Object.defineProperty()

Object.defineProperty()方法可以直接在一个对象上定义一个新属性,或者修改一个已经存在的属性, 并返回这个对象。

语法:Object.defineProperty(obj, prop, descriptor)

参数:

  • obj:需要定义属性的对象。
  • prop:需被定义或修改的属性名。
  • descriptor:需被定义或修改的属性的描述符。

返回值:返回传入函数的对象,即第一个参数obj

该方法重点是描述,对象里目前存在的属性描述符有两种主要形式:数据描述符存取描述符数据描述符是一个拥有可写或不可写值的属性。存取描述符是由一对 getter-setter 函数功能来描述的属性。描述符必须是两种形式之一;不能同时是两者。

数据描述符存取描述符均具有以下可选键值:

  • configurable:当且仅当该属性的 configurable 为 true 时,该属性才能够被改变,也能够被删除。默认为 false。
  • enumerable:当且仅当该属性的 enumerable 为 true 时,该属性才能够出现在对象的枚举属性中。默认为 false。

数据描述符同时具有以下可选键值:

  • value:该属性对应的值。可以是任何有效的 JavaScript 值(数值,对象,函数等)。默认为 undefined。
  • writable:当且仅当仅当该属性的writable为 true 时,该属性才能被赋值运算符改变。默认为 false。

存取描述符同时具有以下可选键值:

  • get:一个给属性提供 getter 的方法,如果没有 getter 则为 undefined。该方法返回值被用作属性值。默认为undefined。
  • set:一个给属性提供 setter 的方法,如果没有 setter 则为 undefined。该方法将接受唯一参数,并将该参数的新值分配给该属性。默认为undefined。

我们可以通过Object.defineProperty()方法精确添加或修改对象的属性。比如,直接赋值创建的属性默认情况是可以枚举的,但是我们可以通过Object.defineProperty()方法设置enumerable属性为false为不可枚举。

我们通过Object.defineProperty()修改如下:

这里需要说明的是我们使用Object.defineProperty()默认情况下是enumerable属性为false,例如:

其他描述属性使用方法类似,不做赘述。Vue源码core/util/lang.jsS中定义了这样一个方法:

Object.getOwnPropertyDescriptor()

Object.getOwnPropertyDescriptor() 返回指定对象上一个自有属性对应的属性描述符。(自有属性指的是直接赋予该对象的属性,不需要从原型链上进行查找的属性)

语法:Object.getOwnPropertyDescriptor(obj, prop)

参数:

  • obj:在该对象上查看属性
  • prop:一个属性名称,该属性的属性描述符将被返回

返回值:如果指定的属性存在于对象上,则返回其属性描述符(property descriptor),否则返回 undefined。可以访问“属性描述符”内容,例如前面的例子:

Vue源码分析

本次我们主要分析一下Vue 数据绑定的源码,这里我直接将 Vue.js 1.0.28 版本的代码稍作删减拿过来进行,2.x 的代码基于 flow 静态类型检查器书写的,代码除了编码风格在整体结构上基本没有太大改动,所以依然基于 1.x 进行分析,对于存在差异的部分加以说明。

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监听对象变动

定义一个对象作为数据模型,并监听这个对象。

效果如下:

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监听数组变动

上面我们通过Object.defineProperty把对象的属性全部转为 getter/setter 从而实现监听对象的变动,但是对于数组对象无法通过Object.defineProperty实现监听。Vue 包含一组观察数组的变异方法,所以它们也将会触发视图更新。

Vue.js 1.x 在Array.prototype原型对象上添加了$set$remove方法,在2.X后移除了,使用全局 API Vue.setVue.delete代替了,后续我们再分析。

定义一个数组作为数据模型,并对这个数组调用变异的七个方法实现监听。

效果如下:

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我们将需要监听的数组的原型指针指向我们定义的数组对象,这样我们的数组在调用上面七个数组的变异方法时,能够监听到变动从而实现对数组进行跟踪。

对于__proto__属性,在ES2015中正式被加入到规范中,标准明确规定,只有浏览器必须部署这个属性,其他运行环境不一定需要部署,所以 Vue 是先进行了判断,当__proto__属性存在时将原型指针__proto__指向具有变异方法的数组对象,不存在时直接将具有变异方法挂在需要追踪的对象上。

我们可以在上面Observer观察者构造函数中添加对数组的监听,源码如下:

原型链

对于不了解原型链的朋友可以看一下我这里画的一个基本关系图:1498395838385

  • 原型对象是构造函数的prototype属性,是所有实例化对象共享属性和方法的原型对象;
  • 实例化对象通过new构造函数得到,都继承了原型对象的属性和方法;
  • 原型对象中有个隐式的constructor,指向了构造函数本身。

Object.create

Object.create 使用指定的原型对象和其属性创建了一个新的对象。

这一步是通过 Object.create 创建了一个原型对象为Array.prototype的空对象。然后通过Object.defineProperty方法对这个对象定义几个变异的数组方法。有些新手可能会直接修改 Array.prototype 上的方法,这是很危险的行为,这样在引入的时候会全局影响Array 对象的方法,而使用Object.create实质上是完全了一份拷贝,新生成的arrayMethods对象的原型指针__proto__指向了Array.prototype,修改arrayMethods 对象不会影响Array.prototype。

基于这种原理,我们通常会使用Object.create 实现类式继承。

发布-订阅模式

在上面一部分我们通过Object.defineProperty把对象的属性全部转为 getter/setter 以及 数组变异方法实现了对数据模型变动的监听,在数据变动的时候,我们通过console.log打印出来提示了,但是对于框架而言,我们相关的逻辑如果直接写在那些地方,自然是不够优雅和灵活的,这个时候就需要引入常用的设计模式去实现,vue.js采用了发布-订阅模式。发布-订阅模式主要是为了达到一种“高内聚、低耦合”的效果。

Vue的Watcher订阅者作为Observer和Compile之间通信的桥梁,能够订阅并收到每个属性变动的通知,执行指令绑定的相应回调函数,从而更新视图。

Dep 是一个数据结构,其本质是维护了一个watcher队列,负责添加watcher,更新watcher,移除watcher,通知watcher更新。

模板编译

compile主要做的事情是解析模板指令,将模板中的变量替换成数据,然后初始化渲染页面视图,并将每个指令对应的节点绑定更新函数,添加监听数据的订阅者,一旦数据有变动,收到通知,更新视图。

这种实现和我们讲到的Dom-based templating类似,只是更加完备,具有自定义指令的功能。在遍历节点属性和文本节点的时候,可以编译具备{{}}表达式或v-xxx的属性值的节点,并且通过添加 new Watcher()及绑定事件函数,监听数据的变动从而对视图实现双向绑定。

MVVM实例

在数据绑定初始化的时候,我们需要通过new Observer()来监听数据模型变化,通过new Compile()来解析编译模板指令,并利用Watcher搭起Observer和Compile之间的通信桥梁。

为了能够直接通过实例化对象操作数据模型,我们需要为MVVM实例添加一个数据模型代理的方法:

至此我们可以通过一个小例子来说明本文的内容:

本文目的不是为了造一个轮子,而是在学习优秀框架实现的过程中去提升自己,搞清楚框架发展的前因后果,由浅及深去学习基础,本文参考了网上很多优秀博主的文章,由于时间关系,有些内容没有做深入探讨,觉得还是有些遗憾,在后续的学习中会更多的独立思考,提出更多自己的想法。

参考文档

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