Signal是个什么东东？必须得了解一下

夕水2025-03-25 18:33

Signal 状态管理

引言

随着 Web 开发的复杂度不断增加，尤其是在构建动态和响应式应用时，管理和共享状态变得越来越重要。传统的状态管理工具，如 Redux 或 Vuex，虽然可以很好地处理状态，但它们往往需要较为复杂的配置，且在某些情况下可能不如直接、简洁的机制高效。在这种背景下，Web 开发中越来越多的开发者开始关注 Signal 状态管理。

Signal 状态管理是一种轻量级、响应式的状态管理机制，强调数据的流动和变化，通过简单而直观的方式管理组件和应用的状态。

本文将介绍 Signal 状态管理的实现原理、思路，并提供一个具体的实现示例。

Signal 状态管理概念

Signal 状态管理的核心思想是通过一个简单的信号（Signal）来表示状态，而每个信号的变化会自动触发相关依赖的更新。这使得开发者可以更加简洁地处理组件之间的状态共享、传递和更新。

信号的基本定义

在 Signal 状态管理中，Signal 是一种类似于 "广播"的机制，用来存储和更新状态。每当信号的值发生变化时，所有依赖该信号的组件或逻辑会自动被通知并更新。信号本质上是一个"容器"，保存着状态并暴露更新接口。

Signal 状态管理的优点

  1. 响应式：状态的变化会自动触发相关依赖的更新，避免手动维护视图与状态的同步。
  2. 简单：相较于 Redux 或 Vuex，Signal 的实现机制更为直观、简洁，避免了冗长的代码。
  3. 高效：信号机制让状态更新变得更加高效，只有依赖了该信号的部分需要更新，避免了全局重渲染。

实现原理

1. 信号（Signal）的定义与基本操作

信号通常有两个基本操作：

  • get()：获取信号的当前值。
  • set(value)：设置信号的新值。

信号内部需要维护两个关键组件：

  1. 值（value）：信号保存的状态数据。
  2. 订阅者（subscribers）：依赖于该信号并需要响应其变化的监听者。

当信号的值被更新时，它会触发所有订阅者的回调函数，通常是通过某种事件循环机制来完成。

2. 订阅与通知

当一个组件或函数依赖于某个信号时，它会订阅该信号。每当信号的值发生变化时，所有订阅者会收到通知并执行相应的操作。

这种机制确保了应用中的状态变化始终是响应式的：信号的变化直接引起相关组件的重新渲染。

3. 依赖追踪

Signal 状态管理可以通过 依赖追踪 来确保仅更新依赖于特定信号的组件。这是实现高效更新的关键。当信号的值改变时，只通知那些依赖了该信号的组件，而不是整个应用。

思路与步骤

1. 设计信号类

首先，我们需要定义一个 Signal 类，该类会包含当前的值、订阅者列表以及对值的获取和设置方法。

2. 处理订阅

每当组件或函数需要使用信号时，它会通过 subscribe 方法将自己添加为订阅者。一旦信号的值发生变化，所有订阅者都会被通知并执行相应的操作。

3. 更新信号值

当信号的值被更新时，我们需要触发所有订阅者的回调，并确保状态的变化能够在依赖的组件中得到反映。

4. 高效更新与依赖追踪

通过简单的依赖追踪机制，可以确保每个信号的变化只会影响到真正需要更新的部分，避免不必要的渲染。

具体实现

以下是一个简化的 Signal 状态管理实现：

js 复制代码 
let activeEffect = null;
class Signal {
  constructor(value) {
    this._value = value;
    this.subscribers = new Set();
  }

  get value() {
    // 收集当前活动的副作用作为订阅者
    if (activeEffect) {
      this.subscribers.add(activeEffect);
      activeEffect.deps.add(this.subscribers);
    }
    return this._value;
  }

  set value(newValue) {
    // 对数组进行深度比较和深拷贝
    const hasChanged =
      Array.isArray(this._value) && Array.isArray(newValue)
        ? JSON.stringify(this._value) !== JSON.stringify(newValue)
        : this._value !== newValue;
    if (hasChanged) {
      this._value = Array.isArray(newValue)
        ? JSON.parse(JSON.stringify(newValue))
        : newValue;
      // 立即触发副作用更新
      const uniqueEffects = new Set(this.subscribers);
      uniqueEffects.forEach((effect) => effect.run());
    }
  }
}
class Effect {
  constructor(fn) {
    this.fn = fn;
    this.deps = new Set(); // 存储所有关联的订阅集合
  }

  run() {
    // 清除旧依赖
    cleanup(this);
    activeEffect = this;
    try {
      this.fn();
    } finally {
      activeEffect = null;
    }
  }
}

// 清理旧依赖
function cleanup(effect) {
  effect.deps.forEach((dep) => dep.delete(effect));
  effect.deps.clear();
}
function effect(fn) {
  const e = new Effect(fn);
  e.run();
  return () => cleanup(e); // 返回一个停止副作用的函数
}
function computed(fn) {
  const signal = new Signal();
  let value;
  let dirty = true;

  const effect = new Effect(() => {
    value = fn();
    dirty = false;
    signal.value = value; // 更新信号以触发依赖
  });

  // 依赖变化时标记为脏数据，延迟计算
  effect.scheduler = () => {
    if (!dirty) {
      dirty = true;
      signal.subscribers.forEach((e) => e.run()); // 触发计算值的订阅者
    }
  };

  return {
    get value() {
      if (dirty) {
        effect.run(); // 重新计算值
      }
      return signal.value; // 返回当前值并收集依赖
    },
  };
}

代码解析

这段代码实现了一个响应式的状态管理系统，其中包含 Signal 、Effect 和 computed 等核心概念。它的核心思想是将 副作用（Effect） 和 状态（Signal） 关联起来，通过信号的变化触发副作用，达到响应式编程的效果。

下面逐步解析代码的各个部分及其功能：

1. Signal 类

Signal 类是核心的状态管理单元，负责管理单一的状态值，并且能够管理哪些副作用依赖于它。每次信号值发生变化时，它会通知所有依赖该信号的副作用函数重新执行。

  • 属性

    • _value: 用来存储信号的当前值。
    • subscribers: 用一个 Set 存储依赖于该信号的副作用（即需要响应状态变化的函数）。

  • getter 和 setter

    • get value()：当读取信号的值时，如果当前有 activeEffect（当前正在执行的副作用），它就会将该副作用添加到 subscribers 中。这是信号的依赖收集机制，表示当前副作用函数依赖于这个信号。
    • set value(newValue)：当设置信号的新值时，首先会进行深度比较（支持数组的深度比较）。如果值发生变化，信号的值会更新，同时会通知所有订阅者（即副作用）执行 run() 方法，更新相关状态。
2. Effect 类

Effect 类表示副作用函数的封装，副作用是指需要根据信号的变化执行的函数。例如，在响应式编程中，副作用通常是更新视图、计算衍生值等。

  • 属性

    • fn: 存储副作用函数本身。
    • deps: 存储副作用函数依赖的信号集合。

  • 方法

    • run(): 执行副作用函数 fn()。在执行之前，会清除副作用之前的依赖（cleanup），然后将当前副作用设置为 activeEffect，使得在 fn() 中访问的信号能够收集到该副作用。执行结束后，将 activeEffect 恢复为 null。
3. cleanup 函数

cleanup 函数的作用是清除副作用与信号之间的旧的依赖关系。每当副作用重新执行时，必须先清理掉之前的依赖，避免副作用执行不必要的更新。

javascript 复制代码 
function cleanup(effect) {
  effect.deps.forEach((dep) => dep.delete(effect));
  effect.deps.clear();
}
4. effect 函数

effect(fn) 函数用于创建一个新的副作用实例，并立即执行它。

  • 它会创建一个 Effect 实例，将传入的函数 fn 作为副作用。
  • 调用 run() 方法执行副作用函数。
  • effect 函数会返回一个清理副作用的函数，通过调用返回的清理函数可以取消副作用与信号的绑定。
javascript 复制代码 
function effect(fn) {
  const e = new Effect(fn);
  e.run();
  return () => cleanup(e); // 返回一个停止副作用的函数
}
5. computed 函数

computed(fn) 函数用于创建一个衍生信号，其值基于传入的计算函数 fn 动态计算。computed 会在依赖的信号变化时自动重新计算衍生值，并缓存计算结果，避免不必要的重复计算。

  • 信号 : signal 用来存储计算后的值。

  • 脏标志 : dirty 标志表示计算的值是否过期，只有在 dirty 为 true 时，才会重新计算值。

  • 副作用 : 在副作用函数中，计算并更新 signal.value。

  • 调度器 : scheduler 在依赖变化时被触发，标记 dirty 为 true，并通知订阅者更新计算值。

  • getter : 当访问计算值时，如果 dirty 为 true，会执行 run() 方法重新计算值，并返回计算后的 signal.value。

javascript 复制代码 
function computed(fn) {
  const signal = new Signal();
  let value;
  let dirty = true;

  const effect = new Effect(() => {
    value = fn();
    dirty = false;
    signal.value = value; // 更新信号以触发依赖
  });

  // 依赖变化时标记为脏数据，延迟计算
  effect.scheduler = () => {
    if (!dirty) {
      dirty = true;
      signal.subscribers.forEach((e) => e.run()); // 触发计算值的订阅者
    }
  };

  return {
    get value() {
      if (dirty) {
        effect.run(); // 重新计算值
      }
      return signal.value; // 返回当前值并收集依赖
    },
  };
}

6. 总结

这段代码实现了一个简洁的响应式系统，包含了以下功能：

  • Signal: 用于存储和管理状态值，支持自动追踪依赖的副作用。
  • Effect: 用于包装副作用函数，支持依赖追踪和自动执行。
  • computed: 用于创建衍生的计算属性，并进行依赖追踪和缓存计算结果。

它实现了一个简化版的响应式数据流，能够根据信号值的变化自动触发副作用更新，并通过 computed 函数实现惰性计算，避免了不必要的重复计算。这种模式可以在构建响应式框架或简单的状态管理系统时使用。

进阶应用与优化

1. 组合信号

信号状态管理支持信号的组合。多个信号可以通过计算依赖关系动态生成新的信号。例如，当多个信号的值变化时，新的信号值可以基于这些变化进行重新计算。

typescript 复制代码 
const a = new Signal(1);
const b = new Signal(2);

const sum = new Signal(0);

a.subscribe(() => {
  sum.set(a.get() + b.get());
});

b.subscribe(() => {
  sum.set(a.get() + b.get());
});

a.set(3); // sum 的值会变为 5
b.set(4); // sum 的值会变为 7

2. 性能优化

为了提高性能，可以考虑为每个信号添加 最小化更新 机制，即只有在信号值真的发生了变化时才触发通知，避免冗余的更新。这个机制可以在 set 方法中加以实现。

3. 嵌套信号与递归依赖

在处理复杂的数据结构时，信号的嵌套和递归依赖是常见的挑战。为了解决这个问题，可以将嵌套信号的更新机制设计得更加高效，通过缓存和延迟更新来优化性能。

总结

Signal 状态管理通过其简单而强大的响应式机制，使得 Web 开发者能够高效地管理状态。它的核心思想是信号的值发生变化时，自动通知依赖该信号的组件或逻辑进行更新。通过基于 Signal 的状态管理，开发者可以减少冗余的更新、避免复杂的配置，并保持代码的简洁性和可维护性。

随着 React、Vue 等现代前端框架对响应式编程的支持越来越好，Signal 状态管理的概念也将在更广泛的应用中得到实践与推广。

本文到此为止，下文我们将讲解如何基于Signal实现一个实战示例，示例地址可提前体验，前往这里查看,源码地址。

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