Angular學習之淺析Ivy編譯器中的增量DOM

這篇文章進行來學習Angular框架，帶大家了解一下Ivy編譯器中的增量DOM，希望對大家有幫助！

作為「為大型前端專案」而設計的前端框架，Angular 其實有許多值得參考和學習的設計，本系列主要用於研究這些設計和功能的實現原理。本文圍繞著 Angular 的核心功能 Ivy 編譯器，介紹其中的增量 DOM 設計。 【相關教學推薦：《angular教學》】

在介紹前端框架的時候，我常常會介紹到模板引擎。對於模板引擎的渲染過程，像 Vue/React 這樣的框架裡，使用了虛擬 DOM 這樣的設計。

在 Angular Ivy 編譯器中，並沒有使用虛擬 DOM，而且使用了增量 DOM。

增量 DOM

在 Ivy 編譯器裡，模板編譯後的產物與 View Engine 不一樣了，這是為了支援單獨編譯、增量編譯等能力。

例如，45a2772a6b6107b401db3c9b82c049c2My name is {{name}}54bdf357c58b8a65c66d7c19c8e4d114這句模板程式碼，在Ivy 編譯器中編譯後的程式碼大概長這個樣子：

// create mode
if (rf & RenderFlags.Create) {
  elementStart(0, "span");
  text(1);
  elementEnd();
}
// update mode
if (rf & RenderFlags.Update) {
  textBinding(1, interpolation1("My name is", ctx.name));
}

可以看到，相較於View Engine 中的elementDef(0,null,null,1,'span',...),，elementStart() 、elementEnd()這些API 顯得更加清爽，它們使用的便是增量DOM 的設計。

增量DOM vs 虛擬DOM

虛擬DOM 想必大家都已經有所了解，它的核心計算過程包括：

• 用JavaScript 對象模擬DOM 樹，得到一棵虛擬DOM 樹。

• 當頁面資料變更時，產生新的虛擬 DOM 樹，比較新舊兩棵虛擬 DOM 樹的差異。

• 把差異應用到真正的 DOM 樹上。

雖然虛擬DOM 解決了頁面被頻繁更新和渲染帶來的效能問題，但傳統虛擬DOM 依然有以下效能瓶頸：

• 在單個元件內部仍需要遍歷該元件的整個虛擬DOM 樹
• 在某些元件整個模版內只有少量動態節點的情況下，這些遍歷都是效能的浪費
• 遞迴遍歷和更新邏輯容易導致UI 渲染被阻塞，使用者體驗下降

針對這些情況，React 和Vue 等框架也有更多的最佳化，例如React 中分別對tree diff、component diff 以及element diff 進行了演算法優化，同時引入了任務調度來控制狀態更新的計算和渲染。在 Vue 3.0 中，則將虛擬 DOM 的更新從先前的整體作用域調整為樹狀作用域，樹狀的結構會帶來演算法的簡化以及效能的提升。

而不管怎樣，虛擬DOM 的設計中存在一個無法避免的問題：每個渲染操作分配一個新的虛擬DOM 樹，該樹至少大到足以容納發生變化的節點，並且通常更大一些，這樣的設計會導致更多的一些記憶體佔用。當大型虛擬 DOM 樹需要大量更新時，尤其是在記憶體受限的行動裝置上，效能可能會受到影響。

增量DOM 的設計核心思想是：

• 在創建新的（虛擬）DOM 樹時，沿著現有的樹走，並在進行時找出更改。

• 如果沒有變化，則不分配記憶體；

• #如果有，改變現有樹（僅在絕對必要時分配記憶體）並將差異應用到物理DOM。

這裡將（虛擬）放在括號中是因為，當將預先計算的元資訊混合到現有DOM 節點中時，使用實體DOM 樹而不是依賴虛擬DOM 樹實際上已經夠快了。

與基於虛擬DOM 的方法相比，增量DOM 有兩個主要優勢：

• 增量特性允許在渲染過程中顯著減少記憶體分配，從而實現更可預測的效能
• 它很容易對應到基於模板的方法。控制語句和循環可以與元素和屬性聲明自由混合

增量DOM 的設計由Google 提出，同時他們也提供了一個開源庫google/incremental-dom#，它是一個用於表達和應用DOM 樹更新的函式庫。 JavaScript 可用於擷取、迭代資料並將其轉換為產生 HTMLElements 和 Text 節點的呼叫。

但新的 Ivy 引擎沒有直接使用它，而是實作了自己的版本。

Ivy 中的增量DOM

Ivy 引擎是基於增量DOM 的概念，它與虛擬DOM 方法的不同之處在於，diff 操作是針對DOM 增量執行的（即一次一個節點），而不是在虛擬DOM 樹上執行。基於這樣的設計，增量 DOM 與 Angular 中的髒檢查機制其實也能很好地搭配。

增量 DOM 元素创建

增量 DOM 的 API 的一个独特功能是它分离了标签的打开（elementStart）和关闭（elementEnd），因此它适合作为模板语言的编译目标，这些语言允许（暂时）模板中的 HTML 不平衡（比如在单独的模板中，打开和关闭的标签）和任意创建 HTML 属性的逻辑。

在 Ivy 中，使用elementStart和elementEnd创建一个空的 Element 实现如下（在 Ivy 中，elementStart和elementEnd的具体实现便是ɵɵelementStart和ɵɵelementEnd）：

export function ɵɵelement(
  index: number,
  name: string,
  attrsIndex?: number | null,
  localRefsIndex?: number
): void {
  ɵɵelementStart(index, name, attrsIndex, localRefsIndex);
  ɵɵelementEnd();
}

其中，ɵɵelementStart用于创建 DOM 元素，该指令后面必须跟有ɵɵelementEnd()调用。

export function ɵɵelementStart(
  index: number,
  name: string,
  attrsIndex?: number | null,
  localRefsIndex?: number
): void {
  const lView = getLView();
  const tView = getTView();
  const adjustedIndex = HEADER_OFFSET + index;

  const renderer = lView[RENDERER];
  // 此处创建 DOM 元素
  const native = (lView[adjustedIndex] = createElementNode(
    renderer,
    name,
    getNamespace()
  ));
  // 获取 TNode
  // 在第一次模板传递中需要收集匹配
  const tNode = tView.firstCreatePass ?
      elementStartFirstCreatePass(
          adjustedIndex, tView, lView, native, name, attrsIndex, localRefsIndex) :
      tView.data[adjustedIndex] as TElementNode;
  setCurrentTNode(tNode, true);

  const mergedAttrs = tNode.mergedAttrs;
  // 通过推断的渲染器，将所有属性值分配给提供的元素
  if (mergedAttrs !== null) {
    setUpAttributes(renderer, native, mergedAttrs);
  }
  // 将 className 写入 RElement
  const classes = tNode.classes;
  if (classes !== null) {
    writeDirectClass(renderer, native, classes);
  }
  // 将 cssText 写入 RElement
  const styles = tNode.styles;
  if (styles !== null) {
    writeDirectStyle(renderer, native, styles);
  }

  if ((tNode.flags & TNodeFlags.isDetached) !== TNodeFlags.isDetached) {
    // 添加子元素
    appendChild(tView, lView, native, tNode);
  }

  // 组件或模板容器的任何直接子级，必须预先使用组件视图数据进行猴子修补
  // 以便稍后可以使用任何元素发现实用程序方法检查元素
  if (getElementDepthCount() === 0) {
    attachPatchData(native, lView);
  }
  increaseElementDepthCount();

  // 对指令 Host 的处理
  if (isDirectiveHost(tNode)) {
    createDirectivesInstances(tView, lView, tNode);
    executeContentQueries(tView, tNode, lView);
  }
  // 获取本地名称和索引的列表，并将解析的本地变量值按加载到模板中的相同顺序推送到 LView
  if (localRefsIndex !== null) {
    saveResolvedLocalsInData(lView, tNode);
  }
}

可以看到，在ɵɵelementStart创建 DOM 元素的过程中，主要依赖于LView、TView和TNode。

在 Angular Ivy 中，使用了LView和TView.data来管理和跟踪渲染模板所需要的内部数据。对于TNode，在 Angular 中则是用于在特定类型的所有模板之间共享的特定节点的绑定数据（享元）。

ɵɵelementEnd()则用于标记元素的结尾：

export function ɵɵelementEnd(): void {}

对于ɵɵelementEnd()的详细实现不过多介绍，基本上主要包括一些对 Class 和样式中@input等指令的处理，循环遍历提供的tNode上的指令、并将要运行的钩子排入队列，元素层次的处理等等。

组件创建与增量 DOM 指令

在增量 DOM 中，每个组件都被编译成一系列指令。这些指令创建 DOM 树并在数据更改时就地更新它们。

Ivy 在运行时编译一个组件的过程中，会创建模板解析相关指令：

export function compileComponentFromMetadata(
  meta: R3ComponentMetadata,
  constantPool: ConstantPool,
  bindingParser: BindingParser
): R3ComponentDef {
  // 其他暂时省略

  // 创建一个 TemplateDefinitionBuilder，用于创建模板相关的处理
  const templateBuilder = new TemplateDefinitionBuilder(
      constantPool, BindingScope.createRootScope(), 0, templateTypeName, null, null, templateName,
      directiveMatcher, directivesUsed, meta.pipes, pipesUsed, R3.namespaceHTML,
      meta.relativeContextFilePath, meta.i18nUseExternalIds);

  // 创建模板解析相关指令，包括：
  // 第一轮：创建模式，包括所有创建模式指令（例如解析侦听器中的绑定）
  // 第二轮：绑定和刷新模式，包括所有更新模式指令（例如解析属性或文本绑定）
  const templateFunctionExpression = templateBuilder.buildTemplateFunction(template.nodes, []);

  // 提供这个以便动态生成的组件在实例化时，知道哪些投影内容块要传递给组件
  const ngContentSelectors = templateBuilder.getNgContentSelectors();
  if (ngContentSelectors) {
    definitionMap.set("ngContentSelectors", ngContentSelectors);
  }

  // 生成 ComponentDef 的 consts 部分
  const { constExpressions, prepareStatements } = templateBuilder.getConsts();
  if (constExpressions.length > 0) {
    let constsExpr: o.LiteralArrayExpr|o.FunctionExpr = o.literalArr(constExpressions);
    // 将 consts 转换为函数
    if (prepareStatements.length > 0) {
      constsExpr = o.fn([], [...prepareStatements, new o.ReturnStatement(constsExpr)]);
    }
    definitionMap.set("consts", constsExpr);
  }

  // 生成 ComponentDef 的 template 部分
  definitionMap.set("template", templateFunctionExpression);
}

可见，在组件编译时，会被编译成一系列的指令，包括const、vars、directives、pipes、styles、changeDetection等等，当然也包括template模板里的相关指令。最终生成的这些指令，会体现在编译后的组件中，比如之前文章中提到的这样一个Component文件：

import { Component, Input } from "@angular/core";

@Component({
  selector: "greet",
  template: "<div> Hello, {{name}}! </div>",
})
export class GreetComponent {
  @Input() name: string;
}

经ngtsc编译后，产物包括该组件的.js文件：

const i0 = require("@angular/core");
class GreetComponent {}
GreetComponent.ɵcmp = i0.ɵɵdefineComponent({
  type: GreetComponent,
  tag: "greet",
  factory: () => new GreetComponent(),
  template: function (rf, ctx) {
    if (rf & RenderFlags.Create) {
      i0.ɵɵelementStart(0, "div");
      i0.ɵɵtext(1);
      i0.ɵɵelementEnd();
    }
    if (rf & RenderFlags.Update) {
      i0.ɵɵadvance(1);
      i0.ɵɵtextInterpolate1("Hello ", ctx.name, "!");
    }
  },
});

其中，elementStart()、text()、elementEnd()、advance()、textInterpolate1()这些都是增量 DOM 相关的指令。在实际创建组件的时候，其template模板函数也会被执行，相关的指令也会被执行。

正因为在 Ivy 中，是由组件来引用着相关的模板指令。如果组件不引用某个指令，则我们的 Angular 中永远不会使用到它。因为组件编译的过程发生在编译过程中，因此我们可以根据引用到指令，来排除未引用的指令，从而可以在 Tree-shaking 过程中，将未使用的指令从包中移除，这便是增量 DOM 可树摇的原因。

结束语

现在，我们已经知道在 Ivy 中，是通过编译器将模板编译为template渲染函数，其中会将对模板的解析编译成增量 DOM 相关的指令。其中，在elementStart()执行时，我们可以看到会通过createElementNode()方法来创建 DOM。实际上，增量 DOM 的设计远不止只是创建 DOM，还包括变化检测等各种能力，关于具体的渲染过程，我们会在下一讲中进行介绍。

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