实现vue3响应式系统核心-MVP 模型

实现vue3响应式系统核心-MVP 模型

简介

2023 年 12 月 31 日，vue2 已经停止维护了。你还不会 Vue3 的源码么？

手把手带你实现一个 vue3 响应式系统，你将获得：

• Vue3 的响应式的数据结构是什么样？为什么是这样？如何形成的？

• Proxy 为什么要配合 Reflect 使用？如果不配合会有什么问题？

• Map 与 WeakMap的区别

• 响应式数据以及副作用函数

• 响应式系统基本实现

• 依赖收集

• 派发更新

• 依赖清理

• 支持嵌套

• 实现执行调度

• 实现 computed

• 实现 watch

• TDD 测试驱动开发

• 重构

• vitest 的使用

• 如何使用 ChatGPT 编写单元测试

• excalidraw 画图工具

代码地址： github.com/SuYxh/share...

代码并没有按照源码的方式去进行组织，目的是学习、实现 vue3 响应式系统的核心，用最少的代码去实现最核心的能力，减少我们的学习负担，并且所有的流程都会有配套的图片，图文 + 代码，让我们学习更加轻松、快乐。

每一个功能都会提交一个 commit ，大家可以切换查看，也顺便练习练习 git 的使用。

如果想看和 vue 源码结构类似的请看： github.com/SuYxh/mini-...

环境搭建

1、使用 vite 创建一个空模板，

pnpm init vite

2、然后安装 vitest

pnpm add -D vitest

为什么要安装 vitest？

测试驱动开发(TDD) 是一种渐进的开发方法，它结合了测试优先的开发，即在编写足够的产品代码以完成测试和重构之前编写测试。目标是编写有效的干净代码

配置测试命令：

"scripts": {
  "test": "vitest"
},

3、安装 vscode 插件 Vitest Runner

4、编写测试代码

新建一个 main.js 然后编写

export function add(a: number, b: number) {
  return a + b;
}

创建 /src/__tests__/main.spec.ts测试文件，写入：

测试文件的文件名最好包含 spec

import { describe, it, expect } from 'vitest';
import { add } from '../main';

describe('add function', () => {
    it('adds two numbers', () => {
        expect(add(1, 2)).toBe(3);
    });
});

点击运行单测：

注意： 我这边因为还安装了 jest runner， 所有此处会有 2 对

运行结果：

到此，环境搭建结束！

相关代码在 commit： (3af5e60)环境搭建 ，git checkout 3af5e60 即可查看。

响应式数据以及副作用函数

副作用函数指的是会产生副作用的函数，如下：

// 全局变量
let val = 1

function effect() {
	// 修改全局变量，产生副作用
	val = 2
}

当 effect 函数执行时，它会修改 val 的值，但除了 effect 函数之外的任何函数都可以修改 val 的值。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。

假设在一个副作用函数中读取了某个对象的属性：

const obj = { age: 18 }

function effect() {
	console.log(obj.age)
}

当 obj.age 的值发生变化时，我们希望副作用函数 effect 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。但很明显，以上面的代码来看，我们还做不到这一点，因为 obj是一个普通对象，当我们修改它的值时，除了值本身发生变化之外，不会有任何其他反应。

响应式系统基本实现

如何将 obj 变成一个响应式对象呢？大家肯定都想到了 Object.defineProperty 和 Proxy 。

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

我们可以把副作用函数 effect 存储到一个"桶"里，如下图所示。

接着，当设置 obj.age 时，再把副作用函数 effect 从"桶"里取出并执行即可。

代码实现

// 存储副作用函数的桶
const bucket = new Set();

// 原始数据
const data = { name: 'dahuang', age: 18 };

// 对原始数据的代理
const obj = new Proxy(data, {
  // 拦截读取操作
  get(target, key) {
    // 将副作用函数 effect 添加到存储副作用函数的桶中
    bucket.add(effect);
    // 返回属性值
    return target[key];
  },
  // 拦截设置操作
  set(target, key, newVal) {
    target[key] = newVal;
    bucket.forEach(fn => fn());
    return true;
  }
});

// 以下为测试代码
// 副作用函数
function effect() {
  console.log(obj.age);
}

// 执行副作用函数，触发读取
effect();

// 1 秒后修改响应式数据
setTimeout(() => {
  obj.age = 23;
}, 1000);

在浏览器中直接运行，我们可以得到期望的效果。

但目前的实现还存在一些问题：

• 直接通过名字effect来获取副作用函数，如果名称变了怎么办？
• 当我们在修改 name 的时候，副作用函数依然会执行

后续会逐步解决这些问题，这里大家只需要理解响应式数据的基本实现和工作原理即可。

相关代码在 commit： (5fc5489)响应式系统基本实现 ，git checkout 5fc5489 即可查看。

完善的响应系统

解决硬编码副作用函数名字问题

为了实现这一点，我们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：

// 当前激活的副作用函数
let activeEffect = null;

// 定义副作用函数
export function effect(fn) {
  // 设置当前激活的副作用函数
  activeEffect = fn;
  // 执行副作用函数
  fn();
  // 重置当前激活的副作用函数
  activeEffect = null;
}

首先，定义了一个全局变量 activeEffect，初始值是 null，它的作用是存储被注册的副作用函数。接着重新定义了 effect 函数，它变成了一个用来注册副作用函数的函数，effect 函数接收一个参数 fn，即要注册的副作用函数。我们可以按照如下所示的方式使用effect 函数：

effect(() => {
  console.log(obj.age);
})

如上面的代码所示，由于副作用函数已经存储到了activeEffect中，所以在get拦截函数内应该把 activeEffect收集到"桶"中，这样响应系统就不依赖副作用函数的名字了。

get(target, key) {
  // 将 activeEffect 添加到存储副作用函数的桶中
  if (activeEffect) {
    bucket.add(activeEffect);
  }
  // 返回属性值
  return target[key];
},

相关代码在 commit： (80c9898)解决硬编码副作用函数名字问题 ，git checkout 80c9898 即可查看。

解决副作用函数会执行多次的问题

effect(() => {
  console.log(obj.age);
})

setTimeout(() => {
  obj.name = 'zhuanzhuan'
}, 2000);

在匿名副作用函数内并没有读取 obj.name 属性的值，所以理论上，字段 obj.name 并没有与副作用建立响应联系，因此， 修改 obj.name 属性的值不应该触发匿名副作用函数重新执行。但如果我们执行上述这段代码就会发现，定时器到时后，匿名副作用函数却重新执行了，这是不正确的。为了解决这个问题，我们需要重新设计"桶"的数据结构。

原因

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。之前我们使用一个 Set 数据结构作为存储副作用函数的"桶"。无论读取的是哪一个属性，都会把副作用函数收集到"桶"里；当设置属性时，无论设置的是哪一个属性，也都会把"桶"里的副作用函数取出并执行。

解决

重新设计"桶"的数据结构，在副作用函数与被操作的字段之间建立联系

"桶"结构设计

我们需要先仔细观察下面的代码：

effect(function effectFn() {
  console.log(obj.age);
})

在这段代码中存在三个角色：

• 被操作（读取）的代理对象 obj

• 被操作（读取）的字段名 age

• 使用 effect 函数注册的副作用函数 effectFn

如果用 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：

这是一种树型结构，下面举几个例子来对其进行补充说明。

如果有两个副作用函数同时读取同一个对象的属性值：

effect(function effectFn1() {
  console.log(obj.age);
})

effect(function effectFn2() {
  console.log(obj.age);
})

那么关系如下：

如果一个副作用函数中读取了同一个对象的两个不同属性

effect(function effectFn1() {
  console.log(obj.age);
  console.log(obj.name);
})

那么关系如下：

如果在不同的副作用函数中读取了两个不同对象的不同属性：

effect(function effectFn1() {
  console.log(obj1.age1);
})

effect(function effectFn2() {
  console.log(obj2.age2);
})

那么关系如下：

其实就是一个树型数据结构。这个联系建立起来之后，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，之前的问题就解决了。

代码实现

const bucket = new WeakMap();

const obj = new Proxy(data, {
  // 拦截读取操作
  get(target, key) {
    // 没有 activeEffect，直接返回
    if (!activeEffect) return

    // 根据 target 从"桶"中取得 depsMap，它也是一个 Map 类型：key --> effects
    let depsMap = bucket.get(target);

    // 如果不存在 depsMap，那么新建一个 Map 并与 target 关联
    if (!depsMap) {
      bucket.set(target, (depsMap = new Map()));
    }

    // 再根据 key 从 depsMap 中取得 deps，它是一个 Set 类型，
    // 里面存储着所有与当前 key 相关联的副作用函数：effects
    let deps = depsMap.get(key);

    // 如果 deps 不存在，同样新建一个 Set 并与 key 关联
    if (!deps) {
      depsMap.set(key, (deps = new Set()));
    }

    // 最后将当前激活的副作用函数添加到"桶"里
    deps.add(activeEffect);

    // 返回属性值
    return target[key];
  },

  // 拦截设置操作
  set(target, key, newVal) {
    // 设置属性值
    target[key] = newVal;

    // 根据 target 从桶中取得 depsMap，它是 key --> effects
    const depsMap = bucket.get(target);

    if (!depsMap) return;

    // 根据 key 取得所有副作用函数 effects
    const effects = depsMap.get(key);

    // 执行副作用函数
    effects && effects.forEach(fn => fn());
    
    return true
  }
});

从这段代码可以看出构建数据结构的方式，我们分别使用了 WeakMap、Map和 Set：

​ WeakMap 由 target --> Map 构成；

​ Map 由 key --> Set 构成。

其中 WeakMap 的键是原始对象 target，WeakMap的值是一个 Map 实例，而 Map 的键是原始对象 target 的 key ，Map的值是一个由副作用函数组成的 Set 。它们的关系下图所示：

我们把上图中的 Set数据结构所存储的副作用函数集合称为 key的依赖集合。

单元测试

为什么这里才开始写单元测试？

先来看看我们写单元测试的目的：

• 验证代码功能：确保每个组件或模块按预期工作。单元测试通常针对特定功能或代码路径，验证它们在各种输入和条件下的表现。

• 提早发现错误：通过单元测试可以在代码集成到更大的系统之前发现问题，这有助于减少未来的调试和维护工作量。

• 文档和示例：良好的单元测试不仅验证功能，还可以作为代码的使用示例，帮助其他开发人员理解代码的预期行为。

• 促进重构：具有良好单元测试覆盖率的代码库使得重构变得更加安全和容易，因为可以迅速验证重构后的代码是否仍按预期工作。

• 确保代码质量：定期运行单元测试有助于确保代码质量随时间的变化保持稳定，尤其是在多人协作的项目中。

• 持续集成和部署：单元测试是持续集成（CI）和持续部署（CD）流程的重要组成部分，有助于自动化这些流程，确保代码改动不会引入新的错误。

• 提高开发效率：单元测试可以减少手动测试的需要，从而加快开发过程，并使开发者更有信心进行代码更改。

之前的代码都比较简单，没有写的必要，也不能为了写而写，现在功能在慢慢增加，后续我们会对代码进行重构，需要单元测试来保证我们的功能没有问题。

编写单测

如果你不会写，或者之前没有写过，可以尝试使用 ChatGPT 帮我们写，以下是一个使用案例：

推荐一个 ChatGPT： ask.vuejs.news/ ，也是笔者之前为了方便使用而开发。可以免费供小伙伴们使用，有使用问题可以联系笔者

我想使用 vitest 进行单元测试，以下是测试代码是我的测试代码，我会从main.ts导出一个 effect 函数 和 一个用于创建响应式对象的 reactive 函数。我们期待effect会被立即执行一次，打印出 18， 当age 改变的时候 effect 函数会被再次执行一次，打印出 23，当改变 address 的时候，effect  不会执行，我的响应式数据为：const data = { name: 'dahuang', age: 18 }。 请你帮我编写一个单元测试：

effect(function effectFn1() {
  console.log(obj.age);
})


setTimeout(() => {
  obj.age = 23;
}, 1000);

setTimeout(() => {
  obj.address = 'beijing'
}, 2000);

以下就是生成的单元测试代码：

import { describe, it, expect, vi } from 'vitest';
import { effect, reactive } from './main';  // 确保从您的 main.ts 文件中导入

describe('reactivity system', () => {
  it('should run the effect function when reactive properties change', async () => {
    const consoleSpy = vi.spyOn(console, 'log'); // 创建一个监视 console.log 调用的 spy

    // 创建响应式对象
    const obj = reactive({ name: 'dahuang', age: 18 });

    // 定义 effect 函数
    effect(() => {
      console.log(obj.age);
    });

    // 检查 effect 是否立即执行
    expect(consoleSpy).toHaveBeenCalledWith(18);

    // 更改 age 属性并等待
    setTimeout(() => {
      obj.age = 23;
    }, 1000);
    await new Promise((r) => setTimeout(r, 1100)); // 等待上述 setTimeout 完成

    // 检查 effect 是否在 age 改变时再次执行
    expect(consoleSpy).toHaveBeenCalledWith(23);

    // 更改 address 属性并等待
    setTimeout(() => {
      obj.address = 'beijing';
    }, 2000);
    await new Promise((r) => setTimeout(r, 2100));

    // 验证 effect 没有因 address 改变而执行
    expect(consoleSpy).toHaveBeenCalledTimes(2); 

    consoleSpy.mockRestore(); // 清除 mock
  });
});

解释一下这些内容：

describe : 这是一个用来定义一组相关测试的函数。它通常用于将测试用例组织成逻辑分组，使测试更加结构化和易于管理。每个 describe 块可以包含多个测试用例。

it : 这是一个定义单个测试用例的函数。每个 it 块通常描述了一个具体的行为或功能的期望结果。它是实际执行测试和断言的地方。

expect : 这是一个用于编写测试断言的函数。测试断言是用来验证代码的行为是否符合预期的表达式。expect 函数通常与一系列的匹配器（如 toBe, toEqual 等）结合使用，以检查不同类型的期望值。

vi : vi 是 Vitest 中的一个全局对象，提供了一系列的工具函数，特别是用于监视（spy）、模拟（mock）和突变（stub）函数的行为。它是 Vitest 特有的，用于创建更加复杂和控制的测试场景。

运行单测

那么我们就要从main.js中导出这2 个函数。

相关代码在 commit： (8362dd3)设计一个完善的响应系统 ，git checkout 8362dd3 即可查看。

点击即可运行，如果有问题，请看 第一节 环境搭建。

单测执行结果

一个响应式系统就完成了，接下来我们还会对这个响应式系统进行增强。

下一步我们会对代码进行重构，先来体验一下单测的快乐。同时我们也来思考几个问题：

• 存储副作用函数的桶为什么使用了 WeakMap ?
• 在 Proxy 中的 set函数中直接返回了 true， 应该怎么写？不返回会有什么问题？

响应式系统代码重构

在重构代码之前，先把思考问题先解决掉，扫清障碍

分析思考问题

存储副作用函数的桶为什么使用了 WeakMap ?

其实涉及 WeakMap和 Map 的区别，我们用一段代码来讲解：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">

<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
  <title>Document</title>
</head>

<body>
  <script>
    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);
  </script>
</body>

</html>

当该函数表达式执行完毕后，对于对象 foo 来说，它仍然作为 map的 key 被引用着，因此垃圾回收器（grabage collector）不会把它从内存中移除，我们仍然可以通过 map.keys 打印出对象 foo。然而对于对象 bar来说，由于WeakMap的 key是弱引用，它不影响垃圾回收器的工作，所以一旦表达式执行完毕，垃圾回收器就会把对象 bar从内存中移除，并且我们无法获取 WeakMap的 key值，也就无法通过 WeakMap取得对象 bar。

简单地说，WeakMap对 key是弱引用，不影响垃圾回收器的工作。据这个特性可知，一旦key被垃圾回收器回收，那么对应的键和值就访问不到了。所以 WeakMap经常用于存储那些只有当 key所引用的对象存在时（没有被回收）才有价值的信息，例如上面的场景中，如果 target 对象没有任何引用了，说明用户侧不再需要它了，这时垃圾回收器会完成回收任务。但如果使用 Map来代替 WeakMap，那么即使用户侧的代码对 target没有任何引用，这个 target 也不会被回收，最终可能导致内存溢出。

我们看下打印的结果，会有一个更加直观的感受，可以看到 WeakMap里面已经为空了。

Proxy的使用问题

在 Proxy 中的 set函数中直接返回了 true， 这样写规范吗？会有什么问题？如果不写返回值会有什么问题？

根据 ECMAScript 规范，set 方法需要返回一个布尔值。这个返回值有重要的意义：

1. 返回 true: 表示属性设置成功。
2. 返回 false : 表示属性设置失败。在严格模式（strict mode）下，这会导致一个 TypeError 被抛出。

如果在 set 函数中不返回任何值（或返回 undefined），那么默认情况下，它相当于返回 false。这意味着：

• 在非严格模式下，尽管不返回任何值可能不会立即引起错误，但这是不符合规范的行为。它可能导致调用代码错误地认为属性设置失败。
• 在严格模式 下，不返回 true 会导致抛出 TypeError 异常。

正确的应该这样写：

set(target, key, newVal, receiver) {
  const res = Reflect.set(target, key, newVal, receiver)
	
  // ...

  return res
}

那么问题又来了，为什么要配合 Reflect 使用呢？

我们添加一个 case 看看：

it('why use Reflect', () => {
  const consoleSpy = vi.spyOn(console, 'log'); // 捕获 console.log
  const obj = reactive({
    foo: 1,
    get bar() {
      return this.foo
    }
  })
  effect(() => {
    console.log(obj.bar);
  })
  expect(consoleSpy).toHaveBeenCalledTimes(1); 
  obj.foo ++
  expect(consoleSpy).toHaveBeenCalledTimes(2); 
})

当 effect 注册的副作用函数执行时，会读取 obj.bar属性，它发现 obj.bar是一个访问器属性，因此执行 getter函数。由于在 getter 函数中通过 this.foo 读取了 foo属性值，因此我们认为副作用函数与属性 foo之间也会建立联系。当我们修改 p.foo 的值时应该能够触发响应，使得副作用函数重新执行才对，但是实际上 effect 并没有执行。这是为什么呢？

我们来看一下 bucket 中的收集结果：（你可以把这个 case 的内容直接放在 main.ts 中运行一下，然后在浏览器中查看）

很明显， 没有收集到 foo， 这是为什么呢？

我们是用的 this.foo 获取到的 bar 值，打印一下 this：

this 是这个 obj 对象本身，并不是我们代理后的对象，自然就无法被收集到。那么如何改变这个 this 指向呢？就需要使用到 Reflect.get 函数的第三个参数 receiver，可以把它理解为函数调用过程中的 this。

将代码做如下修改：

get(target, key) {
  consnt res = Reflect.get(target, key, receiver)
  // ... 其他不变
  return res
},
set(target, key, newVal) {
  const res = Reflect.set(target, key, newVal, receiver)
  // ... 其他不变
  return res
},

然后我们再次运行单测，就可以看到通过了

相关代码在 commit： (c90c1ac)增加Reflect的使用 ，git checkout 8362dd3 即可查看。

代码重构

在目前的实现中，当读取属性值时，我们直接在 get 拦截函数里编写把副作用函数收集到"桶"里的这部分逻辑，但更好的做法是将这部分逻辑单独封装到一个 track 函数中，函数的名字叫 track 是为了表达追踪的含义。同样，我们也可以把触发副作用函数重新执行的逻辑封装到 trigger函数中：

function track(target, key) {
  // 没有 activeEffect，直接返回
  if (!activeEffect) return target[key];
  // 根据 target 从"桶"中取得 depsMap，它也是一个 Map 类型：key --> effects
  let depsMap = bucket.get(target);

  // 如果不存在 depsMap，那么新建一个 Map 并与 target 关联
  if (!depsMap) {
    bucket.set(target, (depsMap = new Map()));
  }

  // 再根据 key 从 depsMap 中取得 deps，它是一个 Set 类型，
  // 里面存储着所有与当前 key 相关联的副作用函数：effects
  let deps = depsMap.get(key);

  // 如果 deps 不存在，同样新建一个 Set 并与 key 关联
  if (!deps) {
    depsMap.set(key, (deps = new Set()));
  }

  // 最后将当前激活的副作用函数添加到"桶"里
  deps.add(activeEffect);
}

function trigger(target, key) {
  // 根据 target 从桶中取得 depsMap，它是 key --> effects
  const depsMap = bucket.get(target);

  if (!depsMap) return;

  // 根据 key 取得所有副作用函数 effects
  const effects = depsMap.get(key);

  // 执行副作用函数
  effects && effects.forEach((fn) => fn());
}

// 对原始数据的代理
export function reactive(target) {
  return new Proxy(target, {
    // 拦截读取操作
    get(target, key, receiver) {
      const res = Reflect.get(target, key, receiver);
      // 依赖收集
      track(target, key);
      return res;
    },

    // 拦截设置操作
    set(target, key, newVal, receiver) {
      // 设置属性值
      const res = Reflect.set(target, key, newVal, receiver);
      // 派发更新
      trigger(target, key);
      return res;
    },
  });
}

分别把逻辑封装到 track 和 trigger 函数内，这能为我们带来极大的灵活性。

我们来运行一下 pnpm test命令：

可以看到，我们的case全部通过。单测，让我们的重构没有压力，这下再也不怕把代码改坏啦！这里我们也可以感受出来，单测的一些好处。

当我们在写单测的时候，最好一个功能写一个 case，一组有关联的逻辑放在一个测试文件中，这样当功能改动的时候，需要改动的case会最少。

相关代码在 commit： (afbaff0)响应式系统代码重构 ，git checkout afbaff0 即可查看。

总结

响应式系统核心逻辑流程图，如下：

由于篇幅原因，本文就到此结束。后续文章会在此基础上进一步优化这个响应式系统，所以本文的内容一定要弄清楚。后续文章的内容将会包括：依赖清理、嵌套 effect、scheduler、computed、watch 等，最终会实现出一个mini-vue！

参考

《vuejs 设计与实现》