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?
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Proxy 为什么要配合 Reflect 使用?如果不配合会有什么问题?
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Map 与 WeakMap的区别
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响应式数据以及副作用函数
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响应式系统基本实现
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依赖收集
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派发更新
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依赖清理
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支持嵌套
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实现执行调度
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实现 computed
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实现 watch
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TDD 测试驱动开发
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重构
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vitest 的使用
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如何使用 ChatGPT 编写单元测试
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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,
csharp
pnpm init vite
2、然后安装 vitest
csharp
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:
js
"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
typescript
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
typescript
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:
typescript
// 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:
typescript
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
javascript
// 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:
ts
// 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:
js
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。
js
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
js
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:
js
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:
js
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
js
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:
js
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
js
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
ini
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:
js
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:
html
<!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:
- 返回
true
: 表示属性设置成功。 - 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:
js
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:
js
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:
js
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:
js
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》