深入Vue实现原理，实现一个响应式框架
如果大家有过 Vue 的开发经验的话， 那么相信大家都已经对 Vue 响应式数据渲染 的功能不陌生了，那么Vue是如何实现响应式数据渲染的呢？如果我们也想开发一个能够支持响应式数据渲染的库，那么我们应该怎么做呢？这就是我们本文章的主要内容。
在本文章中我们会和大家一起去实现一个响应式的框架 – MVue，MVue 会遵循Vue的代码逻辑和实现思路，我们希望能够借助MVue来让大家更好的理解整个Vue的核心思想：响应式数据渲染。
在开始我们的MVue开发之前，我们需要先了解一些必备的知识。首先是Object.defineProperty(obj, prop, descriptor)，这个方法可以用来定义对象的属性描述符，我们可以点击这里来查看这个方法的详细定义。我们这里主要使用到的是get、set描述符，我们可以使用get、set来监听对象的属性setter、getter的调用事件。我们看一下下面的这段代码：
<div>
<input type="text" id="input-msg">
<p id="output-msg"></p>
</div>
<script>
var obj = {
msg: 'hello'
};
var key = 'msg';
var val = obj[key];
Object.defineProperty(obj, key, {
enumerable: true,
configurable: true,
set: function (newValue) {
val = newValue;
console.log('setter');
},
get: function () {
console.log('getter');
return val;
}
})
</script>
在上面的代码中我们利用Object.defineProperty监听了obj.msg的setter、getter事件。所有当我们在控制台去调用obj.msg的时候就会调用console.log('getter');，当我们调用obj.msg = '123' 的时候就会调用console.log('setter');，由此我们就成功的监听了obj.msg的数据变化。那么这有什么意义呢？我们可以利用这个功能来做些什么呢？我们看一下下面的代码：
<div>
<input type="text" id="input-msg">
<p id="output-msg"></p>
</div>
<script>
var inputMsg = document.getElementById('input-msg'),
outputMsg = document.getElementById('output-msg');
var obj = {
msg: 'hello'
};
var key = 'msg';
var val = obj[key];
Object.defineProperty(obj, key, {
enumerable: true,
configurable: true,
set: function (newValue) {
val = newValue;
outputMsg.innerText = obj[key];
},
get: function () {
console.log('getter');
return val;
}
});
inputMsg.addEventListener('input', function (event) {
var newVal = event.target.value;
obj[key] = newVal;
});
</script>
在上面的代码中，我们通过监听input的input事件来去改变obj[key]的值，使obj[key]的值始终等于用户输入的值，当obj[key]的值因为用户的输入而发生了改变的时候，会激活Object.defineProperty中的setter事件，然后我们获取到最新的obj[key]的值并把它赋值给outputMsg。这样当我们在input中进行输入的时候，<p>中的值也会跟随我们的输入变化。这种通过Object.defineProperty来监听数据变化的方式就是Vue中数据响应的核心思想。
其次大家需要了解的就是观察者模式，大家可以点击这里来查看观察者模式的详细解释。
当大家了解完观察者模式之后我们就可以正式开始我们的MVue的开发工作。
思路整理
整个框架的思路被分成三大块。
首先就是 视图渲染 ，我们在html或者<template></template>中进行html内容编写的时候，往往是这样：
<div id="app">
<input type="text" v-model='msg'>
<div>
<p>{{msg}}</p>
</div>
</div>
其中的v-model='msg' 和 {{msg}} 浏览器是无法解析的，那么我们就需要把 浏览器不认识的内容转化为浏览器可以解析的内容，在Vue中，Vue通过 虚拟DOM（VNode） 描述真实DOM，然后通过_update来进行具体渲染。我们这里不去描述这个VNode直接通过_update方法来对DOM进行渲染操作，这个动作是发生在Compile中。Compile会解析我们的具体指令，并重新渲染DOM。
其次是监听我们的数据变化，在最初的例子中我们已经知道我们可以通过Object.defineProperty(obj, prop, descriptor)来实现数据的监听，那么就需要一个Observer类来进行数据劫持的工作，这时Observer承担的就是发布者的工作。当我们通过Observer来监听到数据变化之后，我们需要通知我们的观察者，但是对于我们的发布者来说，它并不知道谁是这个观察者，这个观察者是一个还是多个？所以这个时候，就需要有一个人来负责去收集这些依赖的工作，这个人就是Dep（Dependency），我们通过Dep来去通知观察者Watcher，Watcher订阅Dep，Dep持有Watcher，两者互相依赖形成一个消息中转站。当Watcher接收到消息，需要更改视图的时候，那么就会发布具体的消息根据具体指令的不同（Directive）来执行具体的操作Patch。这就是我们的整个从监听到渲染的过程，如下图：
最后我们需要把所有的东西整合起来形成一个入口函数，输出给用户方便用户进行调用，就好像Vue中的new Vue({})操作，这里我们叫它MVue。
综合以上的内容，我们需要完成的代码内容包括
├── compile.js 渲染DOM，解析指令
├── dep.js 收集依赖
├── directive.js 所有支持到的指令
├── mvue.js 入口函数
├── observer.js 数据劫持
├── patch.js 根据具体的指令来修改渲染的内容
└── watcher.js 观察者。订阅Dep，发布消息
我们预期的完成效果应该是这样
<div id="app">
<input type="text" v-model='msg'>
<div>
<p>{{msg}}</p>
</div>
</div>
<script>
var vm = new MVue({
el: '#app',
data: {
msg: 'hello'
}
});
</script>
入口函数
首先我们需要先生成MVue的入口函数，我们仿照Vue的写法，创建一个MVue的类，并获取传入的options。
function MVue (options) {
this.$options = options;
this._data = options.data || {};
}
MVue.prototype = {
_getVal: function (exp) {
return this._data[exp];
},
_setVal: function (exp, newVal) {
this._data[exp] = newVal;
}
}
首先我们实现一个MVue的构造函数，并为它提供了两个私有的原型方法_getVal和_setVal用于获取和设置data中对应key的值。这时我们就可以通过下面的代码来创建对应的MVue实例。
var vm = new MVue({
el: '#app',
data: {
msg: 'hello'
}
});
然后我们就可以在MVue的构造函数之中去进行我们的 视图渲染 和 数据监听 的操作。
视图渲染
然后我们进行我们的视图渲染，我们再来回顾一下我们需要解析的视图结构
<div id="app">
<input type="text" v-model='msg'>
<div>
<p>{{msg}}</p>
</div>
</div>
在这段html之中v-model和{{msg}}是我们MVue中的自定义指令，这些指令我们的浏览器是无法解析的，所以需要我们把这些指令解析为浏览器可以解析的html代码。以<p>{{msg}}</p>为例，当我们声明data: {msg: 'hello'}的时候，应解析为<p>hello</p>。
我们的模板解析的操作是通过compile.js来完成的。
function Compile (vm, el) {
this.$vm = vm;
el = this.$el = this.isElementNode(el) ? el : document.querySelector(el);
if (!el) {
return;
}
this._update(el);
};
Compile.prototype = {
/**
* Vue中使用vm._render先根据真实DOM创建了虚拟DOM，然后在vm._update把虚拟DOM转化为真实DOM并渲染,
* 我们这里没有虚拟DOM，所以直接通过createElm方法创建一个fragment用以渲染
*/
_update: function (el) {
this.$fragment = document.createDocumentFragment();
// 复制el的内容到创建的fragment
this.createElm(el);
// 把解析之后的fragment放入el中，此时fragment中的所有指令已经被解析为具体数据
el.appendChild(this.$fragment);
},
/**
* 创建新的DOM 用来替换 原DOM
*/
createElm: function (node) {
var childNode = node.firstChild;
if (childNode) {
this.$fragment.appendChild(childNode);
this.createElm(node);
}
}
}
我们声明了一个Compile的构造方法，并调用了它的_update原型函数，在_update中我们声明了一个fragment用于承载解析之后的模板内容，通过createElm的递归调用获取el中的元素，并把获取出的元素放入fragment中，最后把fragment添加到el里面。至此我们已经成功的获取到了el中的元素，并把这些元素重新规制。
接下来我们就需要对获取出来的元素进行解析操作，其实就是对v-model和{{*}}等指令进行解析，这个解析的时机应该在 遍历出所有的元素之后，添加fragment到el之前。 我们看一下解析DOM的代码：
Compile.prototype = {
_update: function (el) {
...
// 解析被创建完成的fragment，此时fragment已经拥有了el内所有的元素
this.compileElm();
...
},
...
/**
* 对DOM进行解析
*/
compileElm: function (childNodes) {
var reg = /{{(.*)}}/;
if (!childNodes) {
childNodes = this.$fragment.childNodes;
}
[].slice.call(childNodes).forEach(node => {
if (node.childNodes.length > 0) {
// 迭代所有的节点
this.compileElm(node.childNodes);
}
// 获取elementNode节点
if (this.isElementNode(node)) {
if (reg.test(node.textContent)) {
// 匹配 {{*}}
this.compileTextNode(node, RegExp.$1);
}
// 匹配elementNode
this.compileElmNode(node);
}
});
},
/**
* 解析elementNode，获取elm的所有属性然后便利，检查属性是否属于已经注册的指令,
* 如果不是我们的自定义指令，那么就不需要去处理它了
* 如果是已注册的指令，我们就交给directive去处理。（演示只有一个v-model）
*/
compileElmNode: function (node) {
var attrs = [].slice.call(node.attributes),
$this = this;
attrs.forEach(function (attr) {
if (!$this.isDirective(attr.nodeName)) {
return;
}
var exp = attr.value;
// 匹配v-model指令
directives.model($this.$vm, node, exp);
// 去掉自定义指令
node.removeAttribute(attr.name);
});
},
/**
* 解析{{*}}
*/
compileTextNode: function (node, exp) {
directives.text(this.$vm, node, exp);
},
/**
* 判断是否是已注册的指令，这里就判断是否包含 v-
*/
isDirective: function (attrNodeName) {
return attrNodeName.indexOf('v-') === 0;
},
/**
* 判断elmNode节点
*/
isElementNode: function (node) {
return node.nodeType === 1;
}
}
由上面的代码可以看出，解析的操作主要在compileElm方法中进行，这个方法首先获取到fragment的childNodes，然后对childNodes进行了forEach操作，如果其中的node还有子节点的话，则会再次调用compileElm方法，然后解析这个node，如果是一个ElementNode节点，则再去判断是否为{{*}}双大括号结构，如果是则会执行compileTextNode来解析{{*}}，然后通过compileElmNode来解析ElmNode中的指令。
compileTextNode中的实现比较简单，主要是调用了directives.text(vm, node, exp)进行解析，这里我们稍后再看，我们先主要来看下compileElmNode做了什么。
compileElmNode首先把node中所有的属性转成了数组并拷贝给了attrs，然后对attrs进行遍历获取其中的指令，因为我们目前只有一个v-model指令，所以我们不需要在对指令进行判断，可以直接调用directives.model(vm, node, exp)来进行v-model的指令解析，最后在DOM中删除我们的自定义指令。
至此我们就复制了el的所有元素，并根据不同的指令把它们交由directives中对应的指令解析方法进行解析，这就是我们compile.js中所做的所有事情。接下来我们看一下directives是如何进行指令解析操作的，代码如下：
// directives.js
/**
* 指令集和
*
* v-model
*/
var directives = {
/**
* 链接patch方法，将指令转化为真实的数据并展示
*/
_link: function (vm, node, exp, dir) {
var patchFn = patch(vm, node, exp, dir);
patchFn && patchFn(node, vm._getVal(exp));
},
/**
* v-model事件处理，这里的v-model只针对了<input type='text'>
*/
model: function (vm, node, exp) {
this._link(vm, node, exp, 'model');
var val = vm._getVal(exp);
node.addEventListener('input', function (e) {
var newVal = e.target.value;
if (newVal === val) return;
vm._setVal(exp,newVal);
val = newVal;
});
},
/**
* {{}}事件处理
*/
text: function (vm, node, exp) {
this._link(vm, node, exp, 'text');
}
}
由上面的代码我们可以看出，我们首先定义了一个directives变量，它包含了_link、model、text三个指令方法，其中_link为私有方法，model、text为公开的指令方法，关于_link我们最后在分析，我们先来看一下model。
model指令方法对应的为v-model指令，它接受三个参数，vm为我们的MVue实例，node为绑定该指令的对应节点，exp为绑定数据的key。我们先不去管this._link的调用，大家先来想一下我们在index.html中对于v-model的使用，我们把v-model='msg'绑定到了我们的input标签上，意为当我们在input上进行输入的时候msg始终等于我们输入的值。那么我们在model指令方法中所要做的事情就很明确了，首先我们通过vm._getVal(exp);获取到msg当前值，然后我们监听了node的input事件，获取当前用户输入的最新值，然后通过vm._setVal(exp,newVal)配置到vm._data中，最后通过val = newVal重新设置val的值。
然后是text指令方法，这个方法直接调用了this._link，并且我们还记得在model指令方法中也调用了this._link，那么我们来看一下_link的实现。
在_link中，他接收四个参数，其中dir为我们的指令代码，然后它调用了一个patch方法，获取到了一个patchFn的变量，这个patch方法位于patch.js中。
// patch.js
/**
* 更改node value，在编译之前，替换 v-model {{*}} 为真实数据
* @param {*} vm
* @param {*} node
* @param {*} exp
* @param {*} dir
*/
function patch (vm, node, exp, dir) {
switch (dir) {
case 'model':
/**
* input / textear
*/
return function (node , val) {
node.value = typeof val === 'undefined' ? '' : val;
}
case 'text':
/**
* {{*}}
*/
return function (node , val) {
node.textContent = typeof val === 'undefined' ? '' : val;
}
}
}
patch的方法实现比较简单，它首先去判断了传入的指令，然后根据不同的指令返回了不同的函数。比如在model指令方法中，因为我们只支持input、 textear，所以我们接收到的node只会是它们两个中的一个，然后我们通过node.value = val来改变node中的value。
我们在directives.js中获取到了patch的返回函数patchFn，然后执行patchFn。至此我们的模板已经被解析为浏览器可以读懂的html代码。
<div id="app">
<input type="text">
<div>
<p>hello</p>
</div>
</div>
数据监听实现
然后我们来看一下 数据监听模块的实现 ，我们根据上面的 思路整理 想一下这个数据监听应该如何去实现？我们知道了我们应该在observer里面去实现它，但是具体应该怎么做呢？
再来明确一下我们的目标，我们希望 通过observer能够监听到我们数据data的变化，当我们调用data.msg或者data.msg = '123'的时候，会分别激活getter或者setter方法。 那么我们就需要对整个data进行监听，当我们获取到data对象之后，来遍历其中的所有数据，并分别为它们添加上getter和setter方法。
// observer.js
function observer (value) {
if (typeof value !== 'object') {
return;
}
var ob = new Observer(value);
}
function Observer (data) {
this.data = data;
this.walk();
}
Observer.prototype = {
walk: function () {
var $this = this;
var keys = Object.keys(this.data);
keys.forEach(function (key) {
$this.defineReactive(key, $this.data[key]);
});
},
defineReactive: function (key, value) {
var dep = new Dep();
Object.defineProperty(this.data, key, {
enumerable: true,
configurable: true,
set: function (newValue) {
if (value === newValue) {
return;
}
value = newValue;
dep.notify();
},
get: function () {
dep.depend();
return value;
}
});
},
}
在observer.js中我们通过observer (value)方法来生成Observer对象，其中传入的value为data: {msg: 'hello'}。然后调用Observer的原型方法walk，遍历data调用defineReactive，通过Object.defineProperty为每条数据都添加上setter、getter监听，同时我们声明了一个Dep对象，这个Dep对象会负责收集依赖并且派发更新。大家结合我们的思路整理想一下，我们应该在什么时候去收集依赖？什么时候去派发更新？
当用户通过input进行输入修改数据的时候，我们是不是应该及时更新视图？所以在setter方法被激活的时候，我们应该调用dep.notify()方法，用于派发更新事件。
当我们的数据被展示出来的时候，也就是在getter事件被激活的时候，我们应该去收集依赖，也就是调用dep.depend()方法。
然后我们来看一下Dep方法的实现，在Dep.js中。
// Dep.js
var uid = 0;
function Dep () {
// 持有的watcher订阅者
this.subs = [];
this.id = uid++;
}
Dep.prototype = {
// 使dep与watcher互相持有
depend () {
// Dep.target为watcher实例
if (Dep.target) {
Dep.target.addDep(this)
}
},
// 添加watcher
addSub: function (sub) {
this.subs.push(sub);
},
// 通知所有的watcher进行更新
notify: function () {
this.subs && this.subs.forEach(function (sub) {
sub.update();
});
}
}
Dep.js的实现比较简单，它主要是就负责收集依赖（watcher）并且派发更新（watcher.update()），我们可以看到Dep首先声明了subs用于保存订阅了Dep的watcher实例，然后给每个Dep实例创建了一个id，然后我们为Dep声明了三个原型方法，当调用notify的时候，Dep回去遍历所有的subs然后调用他的update()方法，当调用depend的时候会调用watcher的addDep方法使Dep与Watcher互相持有。其中的Dep.target和sub都为Watcher实例。
然后我们来看一下Watcher.js的代码实现。
// watcher
function Watcher (vm, exp, patchFn) {
this.depIds = {};
this.$patchFn = patchFn;
this.$vm = vm;
this.getter = this.parsePath(exp)
this.value = this.get();
}
Watcher.prototype = {
// 更新
update: function () {
this.run();
},
// 执行更新操作
run: function () {
var oldVal = this.value;
var newVal = this.get();
if (oldVal === newVal) {
return;
}
this.$patchFn.call(this.$vm, newVal);
},
// 订阅Dep
addDep: function (dep) {
if (this.depIds.hasOwnProperty(dep.id)) {
return;
}
dep.addSub(this);
this.depIds[dep.id] = dep;
},
// 获取exp对应值，这时会激活observer中的get事件
get: function () {
Dep.target = this;
var value = this.getter.call(this.$vm, this.$vm._data);
Dep.target = null;
return value;
},
/**
* 获取exp的对应值，应对a.b.c
*/
parsePath: function (path) {
var segments = path.split('.');
return function (obj) {
for (let i = 0; i < segments.length; i++) {
if (!obj) return
obj = obj[segments[i]]
}
return obj
}
}
}
在Watcher.js中它直接接收了patchFn，大家还记得这个方法是干什么的吧？patchFn是更改node value，在编译之前，替换 v-model 、 {{*}} 为真实数据的方法，在Watcher.js接收了patchFn，并把它赋值给this.$patchFn，当我们调用this.$patchFn的时候，就会改变我们的DOM渲染。
然后我们调用parsePath用于解析对象数据，并返回一个解析函数，然后把它赋值给this.getter。最后我们调用get()方法，在get()中我们给Dep.target持有了Watcher，并激活了一次getter方法，使我们在observer中监听的getter事件被激活，会调用dep.depend()方法，然后调用watcher.addDep(dep)，使Dep与Watcher互相持有，相互依赖。
然后我们看一下update方法的实现，我们知道当数据的setter事件被激活的时候，会调用dep.notify(),dep.notify()又会遍历所有的订阅watcher执行update方法，那么在upadte方法中，直接执行了this.run，在run()方法中，首先获取了 当前watcher所观察的exp的改变前值oldVal和修改后值newVal，然后通过patchFn去修改DOM。
以上就是我们整个数据监听的流程，它首先通过observer来监听数据的变化，然后当数据的getter事件被激活的时候，调用dep.depend()来进行依赖收集，当数据的setter事件被激活的时候，调用dep.notify()来进行派发更新，这些的具体操作都是在我们的观察者watcher中完成的。
整合MVue
最后我们就需要把我们的 视图渲染 和 数据监听 链接起来，那么这个连接的节点应该在哪里呢？我们再来捋一下我们的流程。
当用户编写了我们的指令代码
<div id="app">
<inputtype="text" v-model='msg'>
<div>
<p>{{msg}}</p>
</div>
</div>
的时候，我们通过Compile进行解析，当发现了我们的自定义指令v-model、{{*}}的时候，会进行directives进行指令解析，其中监听的用户的输入事件，并调用了vm._setVal()方法，从而会激活在observer中定义的setter事件，setter会进行派发更新的操作，调用dep.notify()方法，然后便利subs调用update方法。
结合上面的描述，我们应该在两个地方去完成连接节点。首先是在调用vm._setVal()方法的时候，我们需要保证observer中的setter事件可以被激活，那么我们最好在入口函数中去声明这个observer：
function MVue (options) {
this.$options = options;
this._data = options.data || {};
observer(this._data);
new Compile(this, this.$options.el);
}
MVue.prototype = {
_getVal: function (exp) {
return this._data[exp];
},
_setVal: function (exp, newVal) {
this._data[exp] = newVal;
}
}
然后当setter事件被激活之前，我们需要初始化完成watcher使其拥有vm、exp、patchFn,那么最好的时机应该在获取到patchFn这个返回函数的时候，所以应该在：
var directives = {
_bind: function (vm, exp, patchFn) {
new Watcher(vm,exp, patchFn);
},
/**
* 链接patch方法，将指令转化为真实的数据并展示
*/
_link: function (vm, node, exp, dir) {
var patchFn = patch(vm, node, exp, dir);
patchFn && patchFn(node, vm._getVal(exp));
this._bind(vm, exp, function (value) {
patchFn && patchFn(node, value);
});
},
...
}
通过_bind方法来去初始化watcher。
使用与扩展
至此我们的MVue框架就已经被开发完成了，MVue 的源码，当我们需要使用我们的MVue的时候，我们可以这么做：
<script class="lazyload" src="data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABCAYAAAAfFcSJAAAAAXNSR0IArs4c6QAAAARnQU1BAACxjwv8YQUAAAAJcEhZcwAADsQAAA7EAZUrDhsAAAANSURBVBhXYzh8+PB/AAffA0nNPuCLAAAAAElFTkSuQmCC" data-original="./mvue3/patch.js"></script>
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<script class="lazyload" src="data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABCAYAAAAfFcSJAAAAAXNSR0IArs4c6QAAAARnQU1BAACxjwv8YQUAAAAJcEhZcwAADsQAAA7EAZUrDhsAAAANSURBVBhXYzh8+PB/AAffA0nNPuCLAAAAAElFTkSuQmCC" data-original="./mvue3/compile.js"></script>
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<div id="app">
<input type="text" v-model='msg'>
<div>
<p>{{msg}}</p>
</div>
</div>
<script>
var vm = new MVue({
el: '#app',
data: {
msg: 'hello'
}
});
</script>
因为我们的MVue并没有进行模块化，所以需要把所有的JS全部引入才能使用。大家也可以尝试一下把MVue进行模块化，这样就可以只通过引入<script class="lazyload" src="data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABCAYAAAAfFcSJAAAAAXNSR0IArs4c6QAAAARnQU1BAACxjwv8YQUAAAAJcEhZcwAADsQAAA7EAZUrDhsAAAANSURBVBhXYzh8+PB/AAffA0nNPuCLAAAAAElFTkSuQmCC" data-original="./mvue3/mvue.js"></script>来使用MVue了。
现在我们的MVue还非常的简单，大家可以想一下如何为我们的MVue增加更多的功能，比如说更多的指令或者添加v-on:click的事件处理？这里给大家留下四个问题，目的是希望大家能够亲自写一下这个项目，可能会让大家有更多的理解。
1、实现
v-show指令
2、实现v-on:click事件监听
3、如何和Vue一样可以直接通过this.msg来获取我们在data中定义的数据
4、如何让用户在去使用 MVue 的时候不用去引入这么多的 JS 文件 ，而只需要引入 MVue 这一个 JS 文件就可以。
这四个问题的解决方案都在我们的 源码 中，大家可以作为参考。
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