说说 vue3 中的响应式设计原理

Vue 3 中的响应式原理可谓是非常之重要，通过学习 Vue3 的响应式原理，不仅能让我们学习到 Vue.js 的一些设计模式和思想，还能帮助我们提高项目开发效率和代码调试能力。

一、Vue 3 响应式使用

1. Vue 3 中的使用

当我们在学习 Vue 3 的时候，可以通过一个简单示例，看看什么是 Vue 3 中的响应式：

<!-- HTML 内容 -->
<div id="app">
    <div>Price: {{price}}</div>
    <div>Total: {{price * quantity}}</div>
    <div>getTotal: {{getTotal}}</div>
</div>

const app = Vue.createApp({ // ① 创建 APP 实例
    data() {
        return {
            price: 10,
            quantity: 2
        }
    },
    computed: {
        getTotal() {
            return this.price * this.quantity * 1.1
        }
    }
})
app.mount('#app')  // ② 挂载 APP 实例

通过创建 APP 实例和挂载 APP 实例即可，这时可以看到页面中分别显示对应数值：

当我们修改 price 或 quantity 值的时候，页面上引用它们的地方，内容也能正常展示变化后的结果。这时，我们会好奇为何数据发生变化后，相关的数据也会跟着变化，那么我们接着往下看。

2. 实现单个值的响应式

在普通 JS 代码执行中，并不会有响应式变化，比如在控制台执行下面代码：

let price = 10, quantity = 2;
const total = price * quantity;
console.log(`total: ${total}`); // total: 20
price = 20;
console.log(`total: ${total}`); // total: 20

从这可以看出，在修改 price 变量的值后， total 的值并没有发生改变。

那么如何修改上面代码，让 total 能够自动更新呢？我们其实可以将修改 total 值的方法保存起来，等到与 total 值相关的变量（如 price 或 quantity 变量的值）发生变化时，触发该方法，更新 total 即可。我们可以这么实现：

let price = 10, quantity = 2, total = 0;
const dep = new Set(); // ① 
const effect = () => { total = price * quantity };
const track = () => { dep.add(effect) };  // ②
const trigger = () => { dep.forEach( effect => effect() )};  // ③

track();
console.log(`total: ${total}`); // total: 0
trigger();
console.log(`total: ${total}`); // total: 20
price = 20;
trigger();
console.log(`total: ${total}`); // total: 40

上面代码通过 3 个步骤，实现对 total 数据进行响应式变化：

① 初始化一个 Set 类型的 dep 变量，用来存放需要执行的副作用（ effect 函数），这边是修改 total 值的方法；

② 创建 track() 函数，用来将需要执行的副作用保存到 dep 变量中（也称收集副作用）；

③ 创建 trigger() 函数，用来执行 dep 变量中的所有副作用；

在每次修改 price 或 quantity 后，调用 trigger() 函数执行所有副作用后， total 值将自动更新为最新值。

（图片来源：Vue Mastery）

3. 实现单个对象的响应式

通常，我们的对象具有多个属性，并且每个属性都需要自己的 dep。我们如何存储这些？比如：

let product = { price: 10, quantity: 2 };

从前面介绍我们知道，我们将所有副作用保存在一个 Set 集合中，而该集合不会有重复项，这里我们引入一个 Map 类型集合（即 depsMap ），其 key 为对象的属性（如： price 属性）， value 为前面保存副作用的 Set 集合（如： dep 对象），大致结构如下图：

（图片来源：Vue Mastery）

实现代码：

let product = { price: 10, quantity: 2 }, total = 0;
const depsMap = new Map(); // ① 
const effect = () => { total = product.price * product.quantity };
const track = key => {     // ②
  let dep = depsMap.get(key);
  if(!dep) {
    depsMap.set(key, (dep = new Set()));
  }
  dep.add(effect);
}

const trigger = key => {  // ③
  let dep = depsMap.get(key);
  if(dep) {
    dep.forEach( effect => effect() );
  }
};

track('price');
console.log(`total: ${total}`); // total: 0
effect();
console.log(`total: ${total}`); // total: 20
product.price = 20;
trigger('price');
console.log(`total: ${total}`); // total: 40

上面代码通过 3 个步骤，实现对 total 数据进行响应式变化：

① 初始化一个 Map 类型的 depsMap 变量，用来保存每个需要响应式变化的对象属性（key 为对象的属性， value 为前面 Set 集合）；

② 创建 track() 函数，用来将需要执行的副作用保存到 depsMap 变量中对应的对象属性下（也称收集副作用）；

③ 创建 trigger() 函数，用来执行 dep 变量中指定对象属性的所有副作用；

这样就实现监听对象的响应式变化，在 product 对象中的属性值发生变化， total 值也会跟着更新。

4. 实现多个对象的响应式

如果我们有多个响应式数据，比如同时需要观察对象 a 和对象 b 的数据，那么又要如何跟踪每个响应变化的对象？

这里我们引入一个 WeakMap 类型的对象，将需要观察的对象作为 key ，值为前面用来保存对象属性的 Map 变量。代码如下：

let product = { price: 10, quantity: 2 }, total = 0;
const targetMap = new WeakMap();     // ① 初始化 targetMap，保存观察对象
const effect = () => { total = product.price * product.quantity };
const track = (target, key) => {     // ② 收集依赖
  let depsMap = targetMap.get(target);
  if(!depsMap){
    targetMap.set(target, (depsMap = new Map()));
  }
  let dep = depsMap.get(key);
  if(!dep) {
    depsMap.set(key, (dep = new Set()));
  }
  dep.add(effect);
}

const trigger = (target, key) => {  // ③ 执行指定对象的指定属性的所有副作用
  const depsMap = targetMap.get(target);
  if(!depsMap) return;
    let dep = depsMap.get(key);
  if(dep) {
    dep.forEach( effect => effect() );
  }
};

track(product, 'price');
console.log(`total: ${total}`); // total: 0
effect();
console.log(`total: ${total}`); // total: 20
product.price = 20;
trigger(product, 'price');
console.log(`total: ${total}`); // total: 40

上面代码通过 3 个步骤，实现对 total 数据进行响应式变化：

① 初始化一个 WeakMap 类型的 targetMap 变量，用来要观察每个响应式对象；

② 创建 track() 函数，用来将需要执行的副作用保存到指定对象（ target ）的依赖中（也称收集副作用）；

③ 创建 trigger() 函数，用来执行指定对象（ target ）中指定属性（ key ）的所有副作用；

这样就实现监听对象的响应式变化，在 product 对象中的属性值发生变化， total 值也会跟着更新。

大致流程如下图：

（图片来源：Vue Mastery）

二、Proxy 和 Reflect

在上一节内容中，介绍了如何在数据发生变化后，自动更新数据，但存在的问题是，每次需要手动通过触发 track() 函数搜集依赖，通过 trigger() 函数执行所有副作用，达到数据更新目的。

这一节将来解决这个问题，实现这两个函数自动调用。

1. 如何实现自动操作

这里我们引入 JS 对象访问器的概念，解决办法如下：

在读取（GET 操作）数据时，自动执行 track() 函数自动收集依赖；
在修改（SET 操作）数据时，自动执行 trigger() 函数执行所有副作用；

那么如何拦截 GET 和 SET 操作？接下来看看 Vue2 和 Vue3 是如何实现的：

在 Vue2 中，使用 ES5 的 Object.defineProperty() 函数实现；
在 Vue3 中，使用 ES6 的 Proxy 和 Reflect API 实现；

需要注意的是：Vue3 使用的 Proxy 和 Reflect API 并不支持 IE。

Object.defineProperty() 函数这边就不多做介绍，可以阅读文档，下文将主要介绍 Proxy 和 Reflect API。

2. 如何使用 Reflect

通常我们有三种方法读取一个对象的属性：

使用 . 操作符：leo.name ；
使用 [] ： leo['name'] ；
使用 Reflect API： Reflect.get(leo, 'name') 。

这三种方式输出结果相同。

3. 如何使用 Proxy

Proxy 对象用于创建一个对象的代理，从而实现基本操作的拦截和自定义（如属性查找、赋值、枚举、函数调用等）。语法如下：

const p = new Proxy(target, handler)

参数如下：

target : 要使用 Proxy 包装的目标对象（可以是任何类型的对象，包括原生数组，函数，甚至另一个代理）。
handler : 一个通常以函数作为属性的对象，各属性中的函数分别定义了在执行各种操作时代理 p 的行为。

我们通过官方文档，体验一下 Proxy API：

let product = { price: 10, quantity: 2 };
let proxiedProduct = new Proxy(product, {
    get(target, key){
      console.log('正在读取的数据：',key);
    return target[key];
  }
})
console.log(proxiedProduct.price); 
// 正在读取的数据： price
// 10

这样就保证我们每次在读取 proxiedProduct.price 都会执行到其中代理的 get 处理函数。其过程如下：

（图片来源：Vue Mastery）

然后结合 Reflect 使用，只需修改 get 函数：

    get(target, key, receiver){
      console.log('正在读取的数据：',key);
    return Reflect.get(target, key, receiver);
  }

输出结果还是一样。

接下来增加 set 函数，来拦截对象的修改操作：

let product = { price: 10, quantity: 2 };
let proxiedProduct = new Proxy(product, {
  get(target, key, receiver){
    console.log('正在读取的数据：',key);
    return Reflect.get(target, key, receiver);
  },
  set(target, key, value, receiver){
    console.log('正在修改的数据：', key, ',值为：', value);
    return Reflect.set(target, key, value, receiver);
  }
})
proxiedProduct.price = 20;
console.log(proxiedProduct.price); 
// 正在修改的数据： price ,值为： 20
// 正在读取的数据： price
// 20

这样便完成 get 和 set 函数来拦截对象的读取和修改的操作。为了方便对比 Vue 3 源码，我们将上面代码抽象一层，使它看起来更像 Vue3 源码：

function reactive(target){
  const handler = {  // ① 封装统一处理函数对象
    get(target, key, receiver){
      console.log('正在读取的数据：',key);
      return Reflect.get(target, key, receiver);
    },
    set(target, key, value, receiver){
      console.log('正在修改的数据：', key, ',值为：', value);
      return Reflect.set(target, key, value, receiver);
    }
  }
  
  return new Proxy(target, handler); // ② 统一调用 Proxy API
}

let product = reactive({price: 10, quantity: 2}); // ③ 将对象转换为响应式对象
product.price = 20;
console.log(product.price); 
// 正在修改的数据： price ,值为： 20
// 正在读取的数据： price
// 20

这样输出结果仍然不变。

4. 修改 track 和 trigger 函数

通过上面代码，我们已经实现一个简单 reactive() 函数，用来将普通对象转换为响应式对象。但是还缺少自动执行 track() 函数和 trigger() 函数，接下来修改上面代码：

const targetMap = new WeakMap();
let total = 0;
const effect = () => { total = product.price * product.quantity };
const track = (target, key) => { 
  let depsMap = targetMap.get(target);
  if(!depsMap){
    targetMap.set(target, (depsMap = new Map()));
  }
  let dep = depsMap.get(key);
  if(!dep) {
    depsMap.set(key, (dep = new Set()));
  }
  dep.add(effect);
}

const trigger = (target, key) => {
  const depsMap = targetMap.get(target);
  if(!depsMap) return;
    let dep = depsMap.get(key);
  if(dep) {
    dep.forEach( effect => effect() );
  }
};

const reactive = (target) => {
  const handler = {
    get(target, key, receiver){
      console.log('正在读取的数据：',key);
      const result = Reflect.get(target, key, receiver);
      track(target, key);  // 自动调用 track 方法收集依赖
      return result;
    },
    set(target, key, value, receiver){
      console.log('正在修改的数据：', key, ',值为：', value);
      const oldValue = target[key];
      const result = Reflect.set(target, key, value, receiver);
      if(oldValue != result){
         trigger(target, key);  // 自动调用 trigger 方法执行依赖
      }
      return result;
    }
  }
  
  return new Proxy(target, handler);
}

let product = reactive({price: 10, quantity: 2}); 
effect();
console.log(total); 
product.price = 20;
console.log(total); 
// 正在读取的数据： price
// 正在读取的数据： quantity
// 20
// 正在修改的数据： price ,值为： 20
// 正在读取的数据： price
// 正在读取的数据： quantity
// 40

（图片来源：Vue Mastery）

三、activeEffect 和 ref

在上一节代码中，还存在一个问题： track 函数中的依赖（ effect 函数）是外部定义的，当依赖发生变化， track 函数收集依赖时都要手动修改其依赖的方法名。

比如现在的依赖为 foo 函数，就要修改 track 函数的逻辑，可能是这样：

const foo = () => { /**/ };
const track = (target, key) => {     // ②
  // ...
  dep.add(foo);
}

那么如何解决这个问题呢？

1. 引入 activeEffect 变量

接下来引入 activeEffect 变量，来保存当前运行的 effect 函数。

let activeEffect = null;
const effect = eff => {
  activeEffect = eff; // 1. 将 eff 函数赋值给 activeEffect
  activeEffect();     // 2. 执行 activeEffect
  activeEffect = null;// 3. 重置 activeEffect
}

然后在 track 函数中将 activeEffect 变量作为依赖：

const track = (target, key) => {
    if (activeEffect) {  // 1. 判断当前是否有 activeEffect
        let depsMap = targetMap.get(target);
        if (!depsMap) {
            targetMap.set(target, (depsMap = new Map()));
        }
        let dep = depsMap.get(key);
        if (!dep) {
            depsMap.set(key, (dep = new Set()));
        }
        dep.add(activeEffect);  // 2. 添加 activeEffect 依赖
    }
}

使用方式修改为：

effect(() => {
    total = product.price * product.quantity
});

这样就可以解决手动修改依赖的问题，这也是 Vue3 解决该问题的方法。完善一下测试代码后，如下：

const targetMap = new WeakMap();
let activeEffect = null; // 引入 activeEffect 变量

const effect = eff => {
  activeEffect = eff; // 1. 将副作用赋值给 activeEffect
  activeEffect();     // 2. 执行 activeEffect
  activeEffect = null;// 3. 重置 activeEffect
}

const track = (target, key) => {
    if (activeEffect) {  // 1. 判断当前是否有 activeEffect
        let depsMap = targetMap.get(target);
        if (!depsMap) {
            targetMap.set(target, (depsMap = new Map()));
        }
        let dep = depsMap.get(key);
        if (!dep) {
            depsMap.set(key, (dep = new Set()));
        }
        dep.add(activeEffect);  // 2. 添加 activeEffect 依赖
    }
}

const trigger = (target, key) => {
    const depsMap = targetMap.get(target);
    if (!depsMap) return;
    let dep = depsMap.get(key);
    if (dep) {
        dep.forEach(effect => effect());
    }
};

const reactive = (target) => {
    const handler = {
        get(target, key, receiver) {
            const result = Reflect.get(target, key, receiver);
            track(target, key);
            return result;
        },
        set(target, key, value, receiver) {
            const oldValue = target[key];
            const result = Reflect.set(target, key, value, receiver);
            if (oldValue != result) {
                trigger(target, key);
            }
            return result;
        }
    }

    return new Proxy(target, handler);
}

let product = reactive({ price: 10, quantity: 2 });
let total = 0, salePrice = 0;
// 修改 effect 使用方式，将副作用作为参数传给 effect 方法
effect(() => {
    total = product.price * product.quantity
});
effect(() => {
    salePrice = product.price * 0.9
});
console.log(total, salePrice);  // 20 9
product.quantity = 5;
console.log(total, salePrice);  // 50 9
product.price = 20;
console.log(total, salePrice);  // 100 18

思考一下，如果把第一个 effect 函数中 product.price 换成 salePrice 会如何：

effect(() => {
    total = salePrice * product.quantity
});
effect(() => {
    salePrice = product.price * 0.9
});
console.log(total, salePrice);  // 0 9
product.quantity = 5;
console.log(total, salePrice);  // 45 9
product.price = 20;
console.log(total, salePrice);  // 45 18

得到的结果完全不同，因为 salePrice 并不是响应式变化，而是需要调用第二个 effect 函数才会变化，也就是 product.price 变量值发生变化。

代码地址：
https://github.com/Code-Pop/vue-3-reactivity/blob/master/05-activeEffect.js

2. 引入 ref 方法

熟悉 Vue3 Composition API 的朋友可能会想到 Ref，它接收一个值，并返回一个响应式可变的 Ref 对象，其值可以通过 value 属性获取。

ref：接受一个内部值并返回一个响应式且可变的 ref 对象。ref 对象具有指向内部值的单个 property .value。

官网的使用示例如下：

const count = ref(0)
console.log(count.value) // 0

count.value++
console.log(count.value) // 1

我们有 2 种方法实现 ref 函数：

使用 rective 函数

const ref = intialValue => reactive({value: intialValue});

这样是可以的，虽然 Vue3 不是这么实现。

使用对象的属性访问器（计算属性）

属性方式去包括：getter 和 setter。

const ref = raw => {
  const r = {
    get value(){
      track(r, 'value');
      return raw;
    },
    
    set value(newVal){
    	raw = newVal;
      trigger(r, 'value');
    }
  }
  return r;
}

使用方式如下：

let product = reactive({ price: 10, quantity: 2 });
let total = 0, salePrice = ref(0);
effect(() => {
    salePrice.value = product.price * 0.9
});
effect(() => {
    total = salePrice.value * product.quantity
});
console.log(total, salePrice.value); // 18 9
product.quantity = 5;
console.log(total, salePrice.value); // 45 9
product.price = 20;
console.log(total, salePrice.value); // 90 18

在 Vue3 中 ref 实现的核心也是如此。

代码地址：
https://github.com/Code-Pop/vue-3-reactivity/blob/master/06-ref.js

四、实现简易 Computed 方法

用过 Vue 的同学可能会好奇，上面的 salePrice 和 total 变量为什么不使用 computed 方法呢？

没错，这个可以的，接下来一起实现个简单的 computed 方法。

const computed = getter => {
    let result = ref();
    effect(() => result.value = getter());
    return result;
}

let product = reactive({ price: 10, quantity: 2 });
let salePrice = computed(() => {
    return product.price * 0.9;
})
let total = computed(() => {
    return salePrice.value * product.quantity;
})

console.log(total.value, salePrice.value);
product.quantity = 5;
console.log(total.value, salePrice.value);
product.price = 20;
console.log(total.value, salePrice.value);

这里我们将一个函数作为参数传入 computed 方法，computed 方法内通过 ref 方法构建一个 ref 对象，然后通过 effct 方法，将 getter 方法返回值作为 computed 方法的返回值。

这样我们实现了个简单的 computed 方法，执行效果和前面一样。

五、源码学习建议

1. 构建 reactivity.cjs.js

这一节介绍如何去从 Vue 3 仓库打包一个 Reactivity 包来学习和使用。

准备流程如下：

从 Vue 3 仓库下载最新 Vue3 源码；

git clone https://github.com/vuejs/vue-next.git

安装依赖：

yarn install

构建 Reactivity 代码：

yarn build reactivity

复制 reactivity.cjs.js 到你的学习 demo 目录：

上一步构建完的内容，会保存在 packages/reactivity/dist目录下，我们只要在自己的学习 demo 中引入该目录的 reactivity.cjs.js 文件即可。

学习 demo 中引入：

const { reactive, computed, effect } = require("./reactivity.cjs.js");

2. Vue3 Reactivity 文件目录

在源码的 packages/reactivity/src目录下，有以下几个主要文件：

effect.ts：用来定义 effect / track / trigger ；
baseHandlers.ts：定义 Proxy 处理器（ get 和 set）；
reactive.ts：定义 reactive 方法并创建 ES6 Proxy；
ref.ts：定义 reactive 的 ref 使用的对象访问器；
computed.ts：定义计算属性的方法；

（图片来源：Vue Mastery）

六、总结

本文带大家从头开始学习如何实现简单版 Vue 3 响应式，实现了 Vue3 Reactivity 中的核心方法（ effect / track / trigger / computed /ref 等方法），帮助大家了解其核心，提高项目开发效率和代码调试能力。