深入响应式系统

Vue 最标志性的功能就是其低侵入性的响应式系统。组件状态都是由响应式的 JavaScript 对象组成的。当更改它们时，视图会随即自动更新。这让状态管理更加简单直观，但理解它是如何工作的也是很重要的，这可以帮助我们避免一些常见的陷阱。在本节中，我们将深入研究 Vue 响应性系统的一些底层细节。

什么是响应性

这个术语在今天的各种编程讨论中经常出现，但人们说它的时候究竟是想表达什么意思呢？本质上，响应性是一种可以使我们声明式地处理变化的编程范式。一个经常被拿来当作典型例子的用例即是 Excel 表格：

这里单元格 A2 中的值是通过公式= A0 + A1来定义的（你可以在 A2 上点击来查看或编辑该公式），因此最终得到的值为 3，正如所料。但如果你试着更改 A0 或 A1，你会注意到 A2 也随即自动更新了。

而 JavaScript 默认并不是这样的。如果我们用 JavaScript 写类似的逻辑：

let A0 = 1
let A1 = 2
let A2 = A0 + A1

console.log(A2) // 3

A0 = 2
console.log(A2) // 仍然是 3

当我们更改 A0 后，A2 不会自动更新。

那么我们如何在 JavaScript 中做到这一点呢？首先，为了能重新运行计算的代码来更新 A2，我们需要将其包装为一个函数：：

let A2

function update() {
  A2 = A0 + A1
}

然后，我们需要定义几个术语：

• 这个update()函数会产生一个effect（副作用），或者就简称为作用，因为它会更改程序里的状态。
• A0 和 A1 被视为这个作用的依赖（dependency），因为它们的值被用来执行effect（作用）。因此这个effect（作用），也可以说是一个它依赖的订阅者（subscriber）。

还需要一个魔法函数，能够在 A0 或 A1 （这两个依赖）变化时调用update()(产生作用)。

whenDepsChange(update)

whenDepsChange()函数有如下的任务：

1. 当一个变量被读取时进行追踪。例如我们执行了表达式 A0 + A1 的计算，则 A0 和 A1 都被读取到了。
2. 如果一个变量在当前运行的effect（作用）中被读取了，就将该effect（作用）设为此变量的一个订阅者。例如由于 A0 和 A1 在update()执行时被访问到了，则update()需要在第一次调用之后成为 A0 和 A1 的订阅者。
3. 探测一个变量的变化。例如当我们给 A0 赋了一个新的值后，应该通知其所有订阅了的effect（作用）重新执行。

Vue 中的响应性是如何工作的

我们无法直接追踪对上述示例中局部变量的读写过程，在原生 JavaScript 中没有提供这样一种机制。但是，我们是可以追踪对象属性的读写。

在 JavaScript 中有两种劫持 property 访问的方式：getter/setters（对象的访问器属性）和Proxy（对象代理）。

• 在 Vue 3 中使用了Proxy来创建响应式对象，仅将getter/setters用于ref。
• 在 Vue 2 中使用Object.defineProperty，把这些 property 全部转为getter/setters。Vue 2 使用getter/setters完全是出于支持旧版本浏览器的限制。

reactive、ref数据劫持原理：

function reactive(obj) {
  return new Proxy(obj, {
    get(target, key) {
      track(target, key)
      return target[key]
    },
    set(target, key, value) {
      trigger(target, key)
      target[key] = value
    }
  })
}

/* Proxy es6 特性，是js中的原生对象，用来创建一个对象的代理，可以实现基本操作的拦截和自定义。
** let p = new Proxy(target, handler);
** new Proxy() 表示生成一个 Proxy 实例
** 第一参数 target，表示所要拦截的目标对象。第二个参数 handler，是一个配置对象，对于每一个被代理的操作，需要提供一个对应的处理函数，该函数将拦截对应的操作。第二个参数是用于监听目标对象行为的监听器。
** Proxy 可以理解成，在目标对象之前架设一层“拦截”，外界对该对象的访问，都必须先通过这层拦截，因此提供了一种机制，可以对外界的访问进行过滤和改写 
**/


function ref(value) {
  const refObject = {
    // es5 中的访问器属性
    // get关键字可在对象内部使用，可为此对象创造一个伪属性。不能有参数。
    get value() {
      track(refObject, 'value')
      return value
    },

    // set关键字特性：赋值。用set时，必须有且仅能有一个参数
    set value(newValue) {
      trigger(refObject, 'value')
      value = newValue
    }
  }
  return refObject
}

以上代码解释了我们在基础章节部分讨论过的一些事情：

• 当你将一个响应性对象的属性解构为一个局部变量时，响应性就会“断开连接”，因为对局部变量的访问不再触发get()、set()代理捕获。
• 从reactive()返回的代理尽管行为上表现得像原始对象，但我们通过使用===运算符还是能够比较出它们的不同。

在track()内部，我们会检查当前是否有正在运行的effect（作用）。如果有，我们会查找到一个所有追踪了该属性的订阅者（它们存储在一个Set集合中），然后将当前这个effect（作用）作为新订阅者添加到该Set集合中。

// 这会在一个作用就要运行之前被设置
// 我们会在后面处理它
let activeEffect

function track(target, key) {
  if (activeEffect) {
    const effects = getSubscribersForProperty(target, key)
    effects.add(activeEffect)
  }
}

effect（作用）订阅者将被存储在一个全局的WeakMap<target, Map<key, Set<effect>>>数据结构中。如果在第一次追踪时没有找到对相应属性订阅的effect（作用）集合，它将会在这里新建。这就是getSubscribersForProperty()函数所做的事。为了简化描述，我们跳过了它其中的细节。

在trigger()之中，我们会再查找到该属性的effect（作用）的所有订阅者。但这一次我们是去调用它们：

function trigger(target, key) {
  const effects = getSubscribersForProperty(target, key)
  effects.forEach((effect) => effect())
}

现在让我们回到whenDepsChange()函数中：

function whenDepsChange(update) {
  const effect = () => {
    activeEffect = effect
    update()
    activeEffect = null
  }
  effect()
}

它包裹了原先的update()函数到一个effect（作用）中，并在运行实际的更新之前，将它自己设为当前活跃的effect（作用）。而在更新期间开启的track()调用，都将能定位到这个当前活跃的effect（作用）。

此时，我们已经创建了一个能自动跟踪其依赖关系的effect（副作用），它会在依赖关系更改时重新运行。我们称其为响应式副作用（effect）。

watchEffect()

Vue 提供了一个 API 来让你创建响应式effect（作用）watchEffect()。事实上，你会发现它的使用方式和我们上面示例中说的魔法函数whenDepsChange()非常相似。我们可以用真正的 Vue API 改写上面的例子

import { ref, watchEffect } from 'vue'

const A0 = ref(0)
const A1 = ref(1)
const A2 = ref()

watchEffect(() => {
  // 追踪 A0 和 A1
  A2.value = A0.value + A1.value
})

// 将触发作用
A0.value = 2

在内部，computed会使用响应式作用来管理失效与重新计算的过程。

那么，常见的响应式effect（作用）的用例是什么呢？自然是更新 DOM！我们可以像下面这样实现一个简单的“响应式渲染”：

import { ref, watchEffect } from 'vue'

const count = ref(0)

watchEffect(() => {
  document.body.innerHTML = `计数：${count.value}`
})

// 更新 DOM
count.value++

实际上，这与 Vue 组件保持状态和 DOM 同步的方式非常接近。每个组件实例创建一个响应式effect（作用）来渲染和更新 DOM。当然，Vue 组件使用了比 innerHTML 更高效的方式来更新 DOM。这会在渲染机制一章中详细介绍。

ref()、computed()和watchEffect()这些 API 都是组合式 API 的一部分，如果你至今只使用过选项式 API，那么你需要知道的是组合式 API 更贴近 Vue 底层的响应式系统。事实上，Vue 3 中的选项式 API 正是基于组合式 API 建立的。对该组件实例(this)所有的属性访问都会触发getter/setter的响应式追踪，而像watch和computed这样的选项也是在内部调用相应等价的组合式 API。

运行时 vs.编译时响应性

Vue 的响应式系统基本是基于运行时的。追踪和触发都是在浏览器中运行时进行的。运行时响应性的优点是，它可以在没有构建步骤的情况下工作，而且边缘情况较少。另一方面，这使得它受到了 JavaScript 语法的制约。

我们在前面的示例中已经说到了所遇到的一个限制：JavaScript 并没有提供一种方式来拦截对局部变量的读写，因此我们始终只能够以对象属性的形式访问响应式状态，也就因此有了响应式对象和 ref。

我们已经在通过响应性语法糖这一实验性功能去尝试减少冗余代码：

let A0 = $ref(0)
let A1 = $ref(1)

// 在变量读取时追踪
const A2 = $computed(() => A0 + A1)

// 在变量写入时触发
A0 = 2

这个代码段会被编译成没有该转换时的样子，即自动地位所有变量引用处添加上.value。有了响应性语法糖，Vue 的响应式系统更加如虎添翼。

响应性调试

Vue 的响应性系统可以自动跟踪依赖关系，但在某些情况下，我们可能希望确切地知道正在跟踪什么，或者是什么导致了组件重新呈现。

组件调试钩子

我们可以在一个组件渲染时调试查看哪些依赖正在被使用，以及使用renderTracked和renderTriggered生命周期钩子来确定哪个依赖正在触发更新。这些钩子都会收到一个调试事件，其中包含了所需依赖的信息。推荐在回调中放置一个debugger语句，使你可以在开发者工具中交互式地查看依赖：

export default {
  renderTracked(event) {
    debugger 语句
  },
  renderTriggered(event) {
    debugger 语句
  }
}

TIP：组件调试钩子仅会在开发模式下工作

调试事件对象有如下的类型定义：

type DebuggerEvent = {
  effect: ReactiveEffect
  target: object
  type:
    | TrackOpTypes /* 'get' | 'has' | 'iterate' */
    | TriggerOpTypes /* 'set' | 'add' | 'delete' | 'clear' */
  key: any
  newValue?: any
  oldValue?: any
  oldTarget?: Map<any, any> | Set<any>
}

计算属性调试

我们可以向computed()传入第二个参数，是一个包含了onTrack和onTrigger两个回调函数的对象：

• onTrack将在响应属性或引用作为依赖项被跟踪时被调用。
• onTrigger将在侦听器回调被依赖项的变更触发时被调用。

这两个回调都会作为组件组件调试的钩子，接受相同格式的调试事件：

const plusOne = computed(() => count.value + 1, {
  onTrack(e) {
    // 当 count.value 被追踪为依赖时触发
    debugger
  },
  onTrigger(e) {
    // 当 count.value 被更改时触发
    debugger
  }
})

// 访问 plusOne，会触发 onTrack
console.log(plusOne.value)

// 更改 count.value，应该会触发 onTrigger
count.value++

TIP：计算属性的onTrack和onTrigger选项仅会在开发模式下工作。

侦听器调试

watch()侦听器也支持onTrack和onTrigger选项：

watch(source, callback, {
  onTrack(e) {
    debugger
  },
  onTrigger(e) {
    debugger
  }
})


watchEffect(callback, {
  onTrack(e) {
    debugger
  },
  onTrigger(e) {
    debugger
  }
})

TIP：侦听器的onTrack和onTrigger选项仅会在开发模式下工作。

与其他状态系统集成

Vue 的响应性系统是通过深度转换纯 JavaScript 对象到响应式代理来实现的。这种深度转换可以是不必要的，或者在集成其他外部状态管理系统时甚至是我们不想要的。(例如，一个外部的解决方案也用了Proxy)。

将 Vue 的响应性系统与外部状态管理方案集成的总体意见是：将外部状态放在一个shallowRef中。一个浅层的ref中只有它的.value属性本身被访问时才是有响应性的，而不关心它内部的值。当外部状态改变时，替换此ref的.value才会触发更新。

不可变数据

如果你正在实现一个撤销/重做的功能，你可能想要对用户编辑时应用的状态进行快照记录。然而，如果状态树很大的话，Vue 的可变响应性系统没法很好地处理这种情况，因为在每次更新时都序列化整个状态对象对 CPU 和内存开销来说都是非常昂贵的。

不可变数据结构通过永不更改状态对象来解决这个问题。与 Vue 不同的是，它会创建一个新对象，保留旧的对象未发生改变的一部分。在 JavaScript 中有多种不同的方式来使用不可变数据，但我们推荐使用 Immer 搭配 Vue，因为它使你可以在保持原有直观、可变的语法的同时，使用不可变数据。

我们可以通过一个简单的可组合函数来集成 Immer：

import produce from 'immer'
import { shallowRef } from 'vue'

export function useImmer(baseState) {
  const state = shallowRef(baseState)
  const update = (updater) => {
    state.value = produce(state.value, updater)
  }

  return [state, update]
}

状态机

状态机是一种数据模型，用于描述应用程序可能处于的所有可能状态，以及从一种状态转换到另一种状态的所有可能方式。虽然对于简单的组件来说，这可能有些小题大做了，但它的确可以使得复杂的状态流更加健壮和易于管理。

JavaScript 中一个最受欢迎的状态机实现方案就是 XState。这里是集成它的一个例子：

import { createMachine, interpret } from 'xstate'
import { shallowRef } from 'vue'

export function useMachine(options) {
  const machine = createMachine(options)
  const state = shallowRef(machine.initialState)
  const service = interpret(machine)
    .onTransition((newState) => (state.value = newState))
    .start()
  const send = (event) => service.send(event)

  return [state, send]
}

RxJS

RxJS 是否有一个用于处理异步事件流的库。VueUse 库提供了@vueuse/rxjs扩展来支持连接 RxJS 流与 Vue 的响应性系统。

Vue2 vs. Vue3

• 在 Vue 2 中使用Object.defineProperty，把这些 property 全部转为getter/setter。Object.defineProperty只能实现对象属性进行数据劫持，并且数据劫持式层层递归，消耗很大。对于对象的属性、方法，新增、删除则无能为力。另外，对数组数据存在缺陷。
• 在 Vue 3 中，对响应式对象，使用Proxy来创建；对ref，使用getter/setter来实现。Proxy可以实现对整个对象的劫持，降低消耗，提高性能。能完美各类数据（包括：对象、数组、以及代理）。

Vue2 使用Object.defineProperty()存在的缺点。原理示意：

const obj = {name: "vue", arr: [1, 2, 3]};
Object.keys(obj).forEach((key) => {
    let value = obj[key];
    Object.defineProperty(obj, key, {
        get() {
            console.log(`get key is ${key}`);
            return value;
        },
        set(newVal) {
            console.log(`set key is ${key}, newVal is ${newVal}`);
            value = newVal;
        }
    });
});

// 此时给对象新增一个age属性
obj.age = 18; // 因为对象劫持的时候，没有对 age 进行劫持，所以新增属性无法劫持
delete obj.name; // 删除对象上已经进行劫持的 name 属性，发现删除属性操作也无法劫持
obj.arr.push(4); // 无法劫持数组的 push 等方法
obj.arr[3] = 4; // 无法劫持数组的索引操作，因为没有对数组的每个索引进行劫持，并且由于性能原因，Vue2并没有对数组的每个索引进行劫持

Object.defineProperty()方法会直接在一个对象上定义一个新属性，或者修改一个对象的现有属性，并返回此对象。

Object.defineproperty( obj,prop, descriptor)

obj：要定义属性的对象，或者要修改属性的对象。

prop：要定义或修改的属性的名称或 Symbol。

descriptor：要定义或修改的属性描述符。属性描述符有两种主要形式：数据描述符和存取描述符。数据描述符是一个具有值的属性，该值可以是可写的，也可以是不可写的。存取描述符是由 getter 函数和 setter 函数所描述的属性。一个描述符只能是这两者其中之一；不能同时是两者。这两种描述符都是对象。

• configurable：当且仅当该属性的 configurable 键值为 true 时，该属性的描述符才能够被改变，同时该属性也能从对应的对象上被删除。默认为 false。
• enumerable：当且仅当该属性的 enumerable 键值为 true 时，该属性才会出现在对象的枚举属性中。默认为 false。
• value：该属性对应的值。可以是任何有效的 JavaScript 值（数值，对象，函数等）。默认为 undefined。
• writable：当且仅当该属性的 writable 键值为 true 时，属性的值，也就是上面的 value，才能被赋值运算符(en-US)改变。默认为 false。
• get：属性的getter函数，如果没有 getter，则为 undefined。当访问该属性时，会调用此函数。执行时不传入任何参数，但是会传入 this 对象（由于继承关系，这里的 this 并不一定是定义该属性的对象）。该函数的返回值会被用作属性的值。默认为 undefined。
• set：属性的setter函数，如果没有 setter，则为 undefined。当属性值被修改时，会调用此函数。该方法接受一个参数（也就是被赋予的新值），会传入赋值时的 this 对象。默认为 undefined。

Vue3 使用Proxy实现完美劫持。原理示意：

const obj = {name: "vue", arr: [1, 2, 3]};
function proxyData(value) {
    const proxy = new Proxy(value, {
        get(target, key) {
            console.log(`get key is ${key}`);
            const val = target[key];
            if (typeof val === "object") {
                return proxyData(val);
            }
            return val;
        },
        set(target, key, value) {
            console.log(`set key is ${key}, value is ${value}`);
            return target[key] = value;
        },
        deleteProperty(target, key) {
            console.log(`delete key is ${key}`);
        }
    });
    return proxy;
}

const proxy = proxyData(obj);
proxy.age = 18; // 可对新增属性进行劫持
delete proxy.name; // 可对删除属性进行劫持
proxy.arr.push(4); // 可对数组的push等方法进行劫持
proxy.arr[3] = 4; // 可对象数组的索引操作进行劫持