读懂 Diff 算法竟然如此简单！

前言

diff算法相信大家或多或少都听说过，它作为一种高效的比较和更新机制，在前端框架中发挥着关键作用。接下来我将深入探讨 Diff 算法，包括它的定义、工作原理、如何利用它来提高性能、其存在的优缺点，希望这篇文章可以为你带来一些帮助。

什么是 Diff 算法

如果用一句话来解释Diff算法，那就是：一种用于比较两个数据结构差异的方法，在前端开发领域，它主要被用于对比新旧版本的虚拟 DOM 树。

虚拟 DOM 是对真实 DOM 的一种抽象化、轻量级的描述形式，当数据发生变化时，会依据新的数据生成新的虚拟 DOM 树。此时 Diff 算法开始发挥作用，首先会对新旧虚拟 DOM 树的根节点进行比较，如果根节点的类型不同，那么旧的根节点及其子树将被整体替换；若根节点类型相同，则进一步比较它们的属性。

对于子节点，Diff 算法采用深度优先的遍历方式。如果子节点是数组类型，会依据特定的条件，比如节点的 key 值（其作用在于更精确地判断节点的一致性），来确定是对节点进行更新、删除还是添加操作。

总而言之，Diff 算法可以精准高效地找出新旧虚拟 DOM 树的差异，并仅对需变更的部分操作真实 DOM，从而减少 DOM 操作频次，提升页面性能与渲染效率。

Diff 算法的工作原理

同级比较

同级比较原则确保了算法的比较逻辑清晰和高效，因为在网页的结构中，同一层级的节点通常具有更直接的关联和比较意义，不跨层级比较可以避免复杂和不必要的混乱，集中精力处理直接相关的节点变化。

根节点比较

首先比较新旧虚拟 DOM 树的根节点，如果根节点的类型不同，直接将旧的根节点及其子树替换为新的，如果根节点类型相同，则继续比较它们的属性。

节点类型比较

在同一层级中，如果非根节点的类型不同，这表示节点的本质发生了变化。例如从 <div> 变为 <span> ，它们的展示和功能可能完全不同,在这种情况下，删除旧节点并创建新节点可以确保页面的正确显示。

节点属性比较

当节点类型相同但属性有变化时，比如样式属性（颜色、大小等）、属性值（href 链接、class 名称等），通过比较这些属性的差异，可以精确地更新 DOM 节点的属性，而无需完全替换节点，从而节省了性能开销。

子节点比较（数组类型）

key 属性的设置对于准确识别子节点的对应关系非常重要，key 通常是一个唯一标识符，帮助 Diff 算法在新旧子节点数组中快速找到对应的节点。

通过遍历新旧子节点数组，基于 key 值或位置进行匹配，可以准确判断哪些子节点是新增的、哪些是删除的、哪些是有变化的，对于新增的子节点，创建新的 DOM 元素；对于删除的子节点，从 DOM 中移除相应元素；对于有变化的子节点，更新其内容或属性。

复用节点

复用已有的 DOM 节点是 Diff 算法提高性能的关键策略之一。因为创建和删除 DOM 节点是相对昂贵的操作，而复用可以大大减少这些操作的次数。比如有一个节点的内容或属性发生了变化，但节点本身仍然存在，那么只需修改其相关属性或内容，而无需重新创建和删除整个节点。

如何用 Diff 算法提高性能

1. 减少不必要的 DOM 操作： 当只有一个子节点的属性发生变化时，Diff 算法只会更新该子节点的对应属性，而不会影响其他无关的节点。

2. 批量处理更新： 将多个小的更新操作合并为一个批量操作，可以减少与浏览器的通信次数，Diff 算法可以在一定时间内收集多个变化，然后一次性应用这些更新，从而降低了频繁与浏览器交互带来的性能损耗。

3. 利用节点复用： Diff 算法会尽量复用现有的 DOM 节点，而不是频繁地创建和删除，这对于复杂的页面结构非常有效，因为创建和删除 DOM 节点是相对昂贵的操作。例如，如果一个节点的位置发生了变化，但节点的类型和内容不变，Diff 算法会直接移动该节点在 DOM 中的位置，而不是删除并重新创建。

4. 利用 key 值提高比较效率： 在处理列表等包含重复类型节点的情况时，为节点设置唯一的 key 值可以帮助 Diff 算法更快速、准确地判断节点的对应关系，避免不必要的节点创建和删除，从而提高性能。

5. 缓存计算结果： 对于一些在多次比较中可能重复使用的计算结果，如节点的属性比较结果等，可以进行适当的缓存，避免重复计算，提高算法的执行效率。

Diff 算法的优缺点

优点

1. 显著提高性能： 通过精确找出新旧虚拟 DOM 之间的差异，只对需要更新的部分进行实际的 DOM 操作，大大减少了不必要的重绘和重排，从而显著提高了页面的渲染性能和响应速度。

2. 优化开发效率： 开发者无需过度关注底层的 DOM 操作细节，能够更专注于业务逻辑和组件的功能实现，提高了开发效率。

3. 实现局部更新： 只更新页面中发生变化的区域，而不是整个页面，这使得页面的更新更加高效和精准，用户体验更加流畅。

4. 支持高效的列表渲染： 特别是在处理列表数据时，通过合理使用 key 值，能够准确地识别和更新列表中的变化项，避免不必要的重复渲染。

缺点

1. 计算开销： 尽管 Diff 算法已经经过优化，但在复杂的大型应用中，特别是当虚拟 DOM 树结构非常庞大和复杂时，进行差异比较的计算过程仍然可能会带来一定的性能开销。

2. 内存占用： 维护虚拟 DOM 结构需要额外的内存空间来存储节点的信息和状态，这在一定程度上增加了内存的使用。

3. 初次渲染成本： 在首次渲染时，由于需要创建虚拟 DOM 并进行比较和更新到真实 DOM，可能会比直接操作真实 DOM 的方式稍慢一些，但后续的更新性能优势通常会弥补这一初始成本。

如何实现虚拟 DOM 中的 Diff 算法

/**
 * 定义虚拟节点类
 * @param {string} tag - 节点标签名
 * @param {string|number} key - 节点的唯一标识
 * @param {Array} children - 子节点数组
 * @param {Object} attrs - 节点的属性对象
 */
class VNode {
  constructor(tag, key, children = [], attrs = {}) {
    this.tag = tag;
    this.key = key;
    this.children = children;
    this.attrs = attrs;
  }
}

/**
 * Diff 算法的核心函数，用于比较新旧虚拟节点
 * @param {VNode} oldVNode - 旧的虚拟节点
 * @param {VNode} newVNode - 新的虚拟节点
 * @returns {void} 根据比较结果执行相应的 DOM 操作
 */
function diff(oldVNode, newVNode) {
  // 如果旧节点不存在，说明是新增节点，创建新节点对应的 DOM 元素
  if (!oldVNode) {
    return createElement(newVNode);
  }

  // 如果新节点不存在，说明要删除旧节点，执行删除操作
  if (!newVNode) {
    return removeElement(oldVNode);
  }

  // 如果新旧节点的标签名不同，整个替换旧节点对应的 DOM 元素
  if (oldVNode.tag!== newVNode.tag) {
    return replaceElement(oldVNode, newVNode);
  }

  // 比较节点的属性
  /**
   * 比较新旧节点的属性，找出变化的属性
   * @param {Object} oldAttrs - 旧节点的属性对象
   * @param {Object} newAttrs - 新节点的属性对象
   * @returns {Object} 返回包含变化属性的对象
   */
  const attrChanges = compareAttrs(oldVNode.attrs, newVNode.attrs);
  // 如果有属性发生变化
  if (Object.keys(attrChanges).length > 0) {
    // 更新旧节点的属性
    updateAttrs(oldVNode, attrChanges);
  }

  // 比较子节点
  compareChildren(oldVNode.children, newVNode.children);
}

/**
 * 比较新旧节点的属性，找出不同之处
 * @param {Object} oldAttrs - 旧节点的属性对象
 * @param {Object} newAttrs - 新节点的属性对象
 * @returns {Object} 包含变化属性的对象
 */
function compareAttrs(oldAttrs, newAttrs) {
  const changes = {};
  // 遍历新节点的属性
  for (const key in newAttrs) {
    // 如果新属性与旧属性不同，记录该变化
    if (newAttrs[key]!== oldAttrs[key]) {
      changes[key] = newAttrs[key];
    }
  }
  // 遍历旧节点的属性
  for (const key in oldAttrs) {
    // 如果旧属性在新节点中不存在，也视为一种变化
    if (!newAttrs.hasOwnProperty(key)) {
      changes[key] = null;
    }
  }
  return changes;
}

/**
 * 更新节点的属性
 * @param {VNode} vNode - 要更新属性的虚拟节点
 * @param {Object} changes - 包含属性变化的对象
 */
function updateAttrs(vNode, changes) {
  for (const key in changes) {
    if (changes[key]!== null) {
      vNode.dom.setAttribute(key, changes[key]);
    } else {
      vNode.dom.removeAttribute(key);
    }
  }
}

/**
 * 创建新节点对应的 DOM 元素
 * @param {VNode} vNode - 要创建的虚拟节点
 * @returns {void}
 */
function createElement(vNode) {
  const dom = document.createElement(vNode.tag);
  vNode.dom = dom;
  updateAttrs(vNode);
  vNode.children.forEach(child => {
    dom.appendChild(diff(null, child));
  });
}

/**
 * 删除旧节点对应的 DOM 元素
 * @param {VNode} vNode - 要删除的虚拟节点
 * @returns {void}
 */
function removeElement(vNode) {
  if (vNode.dom) {
    vNode.dom.parentNode.removeChild(vNode.dom);
  }
}

/**
 * 替换旧节点为新节点
 * @param {VNode} oldVNode - 要被替换的旧虚拟节点
 * @param {VNode} newVNode - 用于替换的新虚拟节点
 * @returns {void}
 */
function replaceElement(oldVNode, newVNode) {
  const newDom = createElement(newVNode);
  if (oldVNode.dom) {
    oldVNode.dom.parentNode.replaceChild(newDom, oldVNode.dom);
  }
}

/**
 * 比较子节点
 * @param {Array} oldChildren - 旧节点的子节点数组
 * @param {Array} newChildren - 新节点的子节点数组
 * @returns {void}
 */
function compareChildren(oldChildren, newChildren) {
  // 用于存储旧子节点的映射，key 为节点的 key 值，value 为节点在数组中的索引
  const oldChildMap = {};
  oldChildren.forEach((child, index) => {
    oldChildMap[child.key] = index;
  });

  let i = 0;
  // 遍历新子节点
  newChildren.forEach(newChild => {
    const oldChildIndex = oldChildMap[newChild.key];
    // 如果在旧子节点中能找到对应的节点
    if (oldChildIndex!== undefined) {
      // 递归比较该节点
      diff(oldChildren[oldChildIndex], newChild);
      // 从映射中删除已处理的旧节点
      delete oldChildMap[newChild.key];
    } else {
      // 如果在旧子节点中找不到，创建新的节点
      const parentDom = oldChildren[i]? oldChildren[i].dom.parentNode : null;
      parentDom.appendChild(createElement(newChild));
    }
    i++;
  });

  // 处理在旧子节点中存在但在新子节点中不存在的节点，即需要删除的节点
  for (const key in oldChildMap) {
    removeElement(oldChildren[oldChildMap[key]]);
  }
}