深入理解 Vue 的 Diff 算法：从原理到实现的完整剖析

1. Vue 的 Diff 算法如何工作？
2. 如何将传统树的比较复杂度从 O(n^3) 降到 O(n)？
3. Vue 3 的优化策略如何显著提升性能？
4. Vue 源码中 Diff 算法的实现细节是什么？
5. 实际开发中 Diff 算法的使用及优化实践。

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1. Diff 算法的基本原理

1.1 为什么需要 Diff 算法？

在浏览器中，直接操作真实 DOM 会导致：

• 性能成本高： DOM 是浏览器中的重量级对象，频繁操作会触发页面的回流（reflow）和重绘（repaint），严重影响性能。
• 操作繁琐： 手动管理 DOM 的更新逻辑容易出错，特别是在复杂 UI 场景下。

虚拟 DOM 是为了解决上述问题：通过使用 JavaScript 对象表示 DOM 结构，在内存中对比虚拟 DOM 的变化，再以最小的代价更新真实 DOM。

1.2 树的比较复杂度分析

比较两棵树的最小差异（最优编辑距离）的复杂度是 O(n^3) ：

• 对两棵树中的每个节点进行逐一比较，递归计算所有可能的变更操作。
• 这种方式虽然精确，但性能不够好。

优化：

1. 降低复杂度： 从 O(n^3) 降到接近 O(n)。
2. 最小化 DOM 更新： 找出变化部分，仅对其进行操作。

1.3 Vue 的 Diff 策略

Vue 的 Diff 算法基于以下假设进行优化：

1. 层级稳定性：
   节点通常不会跨层级移动。因此，Diff 算法只需比较同一层级的节点，而不需要递归比较整个树。
2. key 的重要性：
   使用 key 可以唯一标识节点，帮助算法直接找到可复用的节点，避免大量顺序比较。
3. 动态节点是少数：
   Vue 的模板编译器会将大部分内容标记为静态节点，仅对动态节点进行 Diff，从而减少计算量。

基于这些假设，Vue 的 Diff 算法在实现中采用了 双端比较 和 局部优化 的策略，大幅提升了性能。

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2. Vue Diff 算法的核心设计

Vue 的 Diff 算法分为两部分：

1. 树的逐层比较（深度优先递归）：
   Vue 从根节点开始，逐层比较新旧虚拟 DOM 树的差异，按层处理更新操作。
2. 同层节点的优化更新：
   Vue 在每层中使用 双端比较算法 和 key 快速定位节点，处理新增、删除、复用和移动的场景。

2.1 树的逐层比较

流程：

1. 对比节点类型：
   如果新旧节点类型不同，直接替换旧节点。
2. 更新节点属性：
   比较新旧节点的属性（props），执行相应的新增、删除或修改操作。
3. 对子节点递归比较：
   如果新旧节点都有子节点，递归调用 Diff 算法，处理子节点的变化。

示例：简单节点更新

// 旧虚拟 DOM
const oldVNode = { tag: 'div', props: { id: 'a' }, children: ['Hello'] }

// 新虚拟 DOM
const newVNode = { tag: 'div', props: { id: 'b' }, children: ['World'] }

// 结果
// 1. 更新属性 id：从 'a' 改为 'b'
// 2. 更新子节点内容：从 'Hello' 改为 'World'

复杂度分析：

• Vue 遍历每个节点，并根据节点的类型和属性变化执行最小化操作，单层的复杂度为 O(n)。
• 由于树结构是逐层递归，整体复杂度接近 O(n)。

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2.2 同层节点的优化更新

双端比较算法

Vue 使用 双端比较 处理同层的子节点，主要逻辑如下：

1. 设置两个指针，分别指向新旧子节点的头部和尾部。
2. 比较头尾指针所指的节点：

• • 如果相同，则复用节点，移动指针。
  • 如果不同，则检查中间部分的节点，找到可复用节点或新增、删除节点。

3. 当头尾指针相遇时，处理剩余的新增或删除节点。

示例：双端比较过程

旧子节点：

oldChildren = [a, b, c, d]

新子节点：

newChildren = [b, c, e, a]

比较过程：

1. 比较头部：a ≠ b，指针不动。
2. 比较尾部：d ≠ a，指针不动。
3. 中间部分：

• • 找到 b 和 c 可复用。
  • e 为新增节点。
  • 删除 d，移动 a。

最终结果：

• 删除 d，新增 e，移动 a。

复杂度分析：

双端比较避免了全量扫描，节点的处理复杂度为 O(n)。

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2.3 使用 key 的优化

当子节点带有唯一的 key 时，Vue 可通过哈希表快速定位节点，进一步优化性能：

• 如果新旧子节点的 key 相同，则直接复用该节点。
• 如果没有 key，算法会退化为简单的顺序比较。

示例：带 key 的 Diff

oldChildren = [{ key: 1, tag: 'div' }, { key: 2, tag: 'span' }]
newChildren = [{ key: 2, tag: 'span' }, { key: 1, tag: 'div' }]

结果：通过 key 快速匹配 div 和 span，避免不必要的比较。

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3. Vue 3 的性能优化

Vue 3 在 Diff 算法中引入了以下性能优化策略：

3.1 静态节点标记（Patch Flag）

Vue 3 的编译器会为模板中的节点生成 Patch Flag，用于标记动态内容。例如：

<div>
  <p>{{ staticText }}</p>
  <p :class="dynamicClass">{{ dynamicText }}</p>
</div>

编译后：

• 静态节点 staticText 被直接跳过。
• 动态节点 dynamicClass 和 dynamicText 被标记为动态，更新时只处理这些部分。

3.2 Block Tree 结构

Vue 3 的虚拟 DOM 被设计为 Block Tree，静态节点和动态节点被分组处理：

• 动态节点存储在 Block 中，直接进行局部更新。
• 静态节点在渲染时跳过，不参与 Diff。

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4. Vue Diff 算法的源码实现

以下是 Vue 3 中 patchChildren 函数的核心实现（简化版）：

function patchChildren(c1, c2, container) {
  let i = 0
  let e1 = c1.length - 1
  let e2 = c2.length - 1

  // 1. 头部比较
  while (i <= e1 && i <= e2) {
    if (c1[i].key === c2[i].key) {
      patch(c1[i], c2[i], container)
      i++
    } else {
      break
    }
  }

  // 2. 尾部比较
  while (e1 >= i && e2 >= i) {
    if (c1[e1].key === c2[e2].key) {
      patch(c1[e1], c2[e2], container)
      e1--
      e2--
    } else {
      break
    }
  }

  // 3. 中间部分处理
  if (i > e1) {
    // 新增节点
  } else if (i > e2) {
    // 删除节点
  } else {
    // 处理可复用节点
  }
}

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5、Diff 算法在实际中的使用场景

5.1 模板渲染中的更新优化

Vue 的核心渲染流程是通过虚拟 DOM 计算视图的变化，然后将差异反映到真实 DOM 中。

示例：动态列表渲染

<template>
  <ul>
    <li v-for="item in items" :key="item.id">{{ item.text }}</li>
  </ul>
</template>

初始数据：

items = [
  { id: 1, text: 'Item 1' },
  { id: 2, text: 'Item 2' },
  { id: 3, text: 'Item 3' }
]

用户操作导致数据更新为：

items = [
  { id: 3, text: 'Item 3' },
  { id: 2, text: 'Item 2' },
  { id: 4, text: 'Item 4' }
]

Vue 的处理方式：

1. 双端比较：
   Vue 首先比较头部和尾部节点，跳过未变化的部分。

• • id=3 和 id=2 被识别为可复用节点。

2. 中间插入/删除节点：

• • id=4 是新增节点。
  • id=1 被标记为需要删除。

最终 Vue 会按照最小变更路径更新真实 DOM，而不是重建整个列表。

实际优势：

• 性能提升：
  即使列表很大，只需对发生变化的节点进行操作。
• UI 稳定性：
  保留未变化的 DOM 节点，避免不必要的重绘。

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5.2 组件更新与复用

Vue 的组件系统依赖于 Diff 算法判断子组件的复用与销毁。在以下场景中，Diff 算法会决定是否复用现有组件实例。

示例：动态切换组件

<template>
  <component :is="currentComponent" :key="currentComponent"></component>
</template>

切换 currentComponent 时：

• 如果 key 不同，则销毁旧组件，重新创建新组件。
• 如果 key 相同，则复用组件实例，仅更新其属性或插槽内容。

应用场景分析：

1. 复用场景： 当多个路由页面共享同一个组件时，Diff 算法会复用该组件，从而避免重新创建实例。

例如：

• • 用户切换到 /profile 和 /settings 页面，这两个页面都基于同一个 UserInfo 组件，只是 props 不同。
  • Vue 会复用 UserInfo 实例，仅更新其属性，而不会销毁并重建。

2. 不复用场景： 当组件之间的 key 不同时（例如按路由 ID 动态切换用户详情页面），Vue 会销毁旧组件并重新挂载新组件，以保证状态隔离。

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5.3 跨层级的局部更新

虽然 Diff 算法主要比较同一层级的节点，但某些情况下会涉及到跨层级的更新，例如子树发生结构变化。

示例：条件渲染

<template>
  <div>
    <div v-if="show">Condition A</div>
    <div v-else>Condition B</div>
  </div>
</template>

当 show 从 true 切换为 false 时，Vue 会销毁 Condition A 的节点，并挂载 Condition B 的新节点。

优化点：

• 对于跨层级变化，Vue 会直接移除原有 DOM，而不是尝试计算最优编辑路径，这样效率更高。
• 如果跨层级内容较多，可以使用 key 提示 Vue 跳过不必要的复杂 Diff。

6. 总结

Vue 的 Diff 算法通过一系列优化（如双端比较、静态标记、Block Tree）将复杂度降低到接近 O(n)，并结合实际场景进一步优化性能。

核心思路 是去除头尾重复的节点。其次便是采用了最长递增子序列来复用相对位置没有发生变化的节点，这些节点是不需要移动的，便能最快的复用和更新。