javascript基礎(chǔ)修煉(9)——MVVM中雙向數(shù)據(jù)綁定的基本原理

開發(fā)者的javascript造詣取決于對(duì)【動(dòng)態(tài)】和【異步】這兩個(gè)詞的理解水平。

一. 概述

1.1 MVVM模型

MVVM模型是前端單頁面應(yīng)用中非常重要的模型之一，也是Single Page Application的底層思想，如果你也因?yàn)樽约簩W(xué)習(xí)的速度拼不過開發(fā)框架版本迭代的速度，或許也應(yīng)該從更高的抽象層次去理解現(xiàn)代前端開發(fā)，因?yàn)槠鋵?shí)最核心的經(jīng)典思想幾乎都是不怎么變的。關(guān)于MVVM的文章已經(jīng)非常多了，本文不再贅述。

筆者之前聽過一種很形象的描述覺得有必要提一下，Model可以想象成HTML代碼，ViewModel可以想象成瀏覽器,而View可以想象成我們最終看到的頁面， 那么各個(gè)層次所扮演的角色和所需要處理的邏輯就比較清晰了。

1.2 數(shù)據(jù)綁定

數(shù)據(jù)綁定，就是將視圖層表現(xiàn)和模型層的數(shù)據(jù)綁定在一起，關(guān)于MVVM中的數(shù)據(jù)綁定，涉及兩個(gè)基本概念單向數(shù)據(jù)綁定和雙向數(shù)據(jù)綁定，其實(shí)兩者并沒有絕對(duì)的優(yōu)劣，只是適用場(chǎng)景不同，現(xiàn)×××發(fā)框架都是同時(shí)支持兩種形式的。

雙向數(shù)據(jù)綁定由Angularjs1.x發(fā)展起來，在表單等用戶體驗(yàn)高度依賴于即時(shí)反饋的場(chǎng)景中非常便利，但并不是所有場(chǎng)景下都適用的，Angularjs中也可以通過ng-bind=":expr"的形式來實(shí)現(xiàn)單向綁定；在Flux數(shù)據(jù)流架構(gòu)的影響下，更加易于追蹤和管理的單向數(shù)據(jù)流思想出現(xiàn)了，各主流框架也進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)（例如redux,vuex），在單向數(shù)據(jù)綁定的框架中，開發(fā)者仍然可以在需要的地方監(jiān)聽變化來手動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙向綁定。

關(guān)于Angularjs1.x中如何通過臟檢查機(jī)制來實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)綁定和管理，可以參見《構(gòu)建自己的AngularJS，第一部分：Scope和Digest》一文，講述得非常詳細(xì)。

二. 基于數(shù)據(jù)劫持的綁定

2.1 Vue2.0源碼的學(xué)習(xí)困惑

Vue2.0版本中的雙向數(shù)據(jù)綁定，很多開發(fā)者都知道是通過劫持屬性的get/set方法來實(shí)現(xiàn)的，上圖已經(jīng)展示了雙向數(shù)據(jù)綁定的代碼框架，分析源碼的文章也非常多，許多文章都將重點(diǎn)放在了發(fā)布訂閱模式的實(shí)現(xiàn)上，筆者自己閱讀時(shí)有兩大困擾點(diǎn)：

第一，即使通過defineProperty劫持了屬性的get/set方法，不知道數(shù)據(jù)模型和頁面之間又是如何聯(lián)系起來的。（很多文章都是順帶一提而沒有詳述，實(shí)際上這部分對(duì)于整體理解MVVM數(shù)據(jù)流非常重要）

第二，Vue2.0在實(shí)現(xiàn)發(fā)布訂閱模式的時(shí)候，使用了一個(gè)Dep類作為訂閱器來管理發(fā)布訂閱行為，從代碼的角度講這樣做是很好的實(shí)踐，它可以將訂閱者管理（例如避免重復(fù)訂閱）這種與業(yè)務(wù)無關(guān)的代碼解耦出來，符合單一職責(zé)的開發(fā)原則。但這樣做對(duì)于理清代碼邏輯而言會(huì)造成困擾，讓發(fā)布-訂閱相關(guān)的代碼段變得模糊，實(shí)際上將Dep類與發(fā)布者類合并在一起，綁定原理會(huì)更加清晰，而在代碼迭代中，考慮到更多更復(fù)雜的情況時(shí)，即使你是框架的設(shè)計(jì)者，也會(huì)很自然地選擇將Dep抽象成一個(gè)獨(dú)立的類。

如果你也在閱讀博文的時(shí)候出現(xiàn)同樣的困惑，強(qiáng)烈建議讀完本篇后自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)一個(gè)MVVM的雙向綁定，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多時(shí)候你不理解一些代碼，是因?yàn)槟悴恢雷髡呙鎸?duì)了怎樣的實(shí)際問題。

2.2 從標(biāo)簽開始的代碼推演

ps:下文提及的觀察者類和發(fā)布者類是指同一個(gè)類。

2.2.1 示例代碼

我們先來寫幾個(gè)包含自定義指令的標(biāo)簽：

<div id="app" class="container">
        <input type="text" d-model="myname">
        <br>
        輸入的是:<span d-bind="myname"></span>
        <br>
        <button d-click="alarm()">廣播報(bào)警</button>
</div>
<script>
       var options = {
            el:'app',
            data:{
                myname:'僵尸'
            },
            methods:{
                alarm:function (node,event) {
                    window.alert(`一大波【${this.data.myname}】正在靠近!`);
                }
            }
        }
        //初始化
        var vm = new Dash(options);
</script>

需要實(shí)現(xiàn)的功能就如同你在所有框架中見到的那樣：<input>標(biāo)簽的值通過d-model指令和數(shù)據(jù)模型中的myname進(jìn)行雙向綁定，<span>標(biāo)簽的值通過d-bind指令從myname單向獲取，<button>標(biāo)簽的點(diǎn)擊響應(yīng)通過d-click綁定數(shù)據(jù)模型中的alarm()方法。初始化所用到的方法已經(jīng)提供好了，假如我們要在一個(gè)叫做Dash的MVVM框架中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綁定，那么第一步要做的，是模板解析。

2.2.2 模板解析

DOM標(biāo)簽自身是一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，所以需要從最外層的<div>為起點(diǎn)以遞歸的方式來進(jìn)行解析。

compiler.js——模板解析器類

/**
 * 模板編譯器
 */
class Compiler{
    constructor(){
       this.strategy = new Strategy();//封裝的策略類，下一節(jié)描述
       this.strategyKeys = Object.keys(this.strategy);
    }

    /**
    *編譯方法
    *@params vm Dash類的實(shí)例（即VisualModel實(shí)例）
    *@params node 待編譯的DOM節(jié)點(diǎn)
    */
    compile(vm, node){
        if (node.nodeType === 3) {//解析文本節(jié)點(diǎn)
            this.compileTextNode(vm, node);
        }else{
            this.compileNormalNode(vm, node);
        }
    }

    /**
    *編譯文本節(jié)點(diǎn)，此處僅實(shí)現(xiàn)一個(gè)空方法,實(shí)際開發(fā)中可能是字符串轉(zhuǎn)義過濾方法
    */
    compileTextNode(vm, node){}

    /**
    *編譯DOM節(jié)點(diǎn)，遍歷策略類中支持的自定義指令，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)指令dir
    *則以this.Strategy[str]的方式取得對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)并執(zhí)行。
    */
    compileNormalNode(vm, node){
         this.strategyKeys.forEach(key=>{
            let expr = node.getAttribute(key);
            if (expr) {
                this.strategy[key].call(vm, node, expr);
            }
        });
        //遞歸處理當(dāng)前DOM標(biāo)簽的子節(jié)點(diǎn)
        let childs = node.childNodes;
        if (childs.length > 0) {
            childs.forEach(subNode => this.compile(vm, subNode));
        }
    }
}
//為方便理解，此處直接在全局生成一個(gè)編譯器單例，實(shí)際開發(fā)中請(qǐng)掛載至適當(dāng)?shù)拿臻g下。
window.Compiler = new Compiler();

2.2.3 策略封裝

我們使用策略模式實(shí)現(xiàn)一個(gè)單例的策略類Strategy，將所有指令所對(duì)應(yīng)的解析方法封裝起來并傳入解析器，當(dāng)解析器遞歸解析每一個(gè)標(biāo)簽時(shí)，如果遇到可以識(shí)別的指令，就從策略類中直接取出對(duì)應(yīng)的處理方法對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理即可，這樣Strategy類只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)Strategy.register( customDirective, options)方法就可以暴露出未來用以添加自定義指令的接口。（細(xì)節(jié)可參考附件中的代碼）

strategy.js——指令解析策略類

//策略類的基本結(jié)構(gòu)
class Strategy{
    constructor(){
        let strategy = {
            'd-bind':function(){//...},
            'd-model':function(){//...},
            'd-click':function(){//...}
        }
        return strategy;
    }

    //注冊(cè)新的指令
    register(customDir,options){
        ...
    }
}

模板解析的工作就比較清晰了，相當(dāng)于帶著一本《解析指南》去遍歷處理DOM樹，不難看出，實(shí)際上綁定的工作就是在策略對(duì)應(yīng)的方法里來實(shí)現(xiàn)的，在MVVM結(jié)構(gòu)種，這一步被稱為“依賴收集”。

2.2.4 訂閱數(shù)據(jù)模型變化

以最基本的d-bind指令為例，通過使用strategy['d-bind']方法處理節(jié)點(diǎn)后，被處理的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具備感知數(shù)據(jù)模型變化的能力。以上面的模板為例，當(dāng)this.data.myname發(fā)生變化時(shí)，就需要將被處理節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容改為對(duì)應(yīng)的值。此處就需要用到發(fā)布-訂閱模式。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法，需要一個(gè)觀察者類Observer，它的功能是觀察數(shù)據(jù)模型的變化（通過數(shù)據(jù)劫持實(shí)現(xiàn)），管理訂閱者（維護(hù)一個(gè)回調(diào)隊(duì)列管理訂閱者添加的回調(diào)方法）, 變化發(fā)生時(shí)通知訂閱者（依次調(diào)用訂閱者注冊(cè)的回調(diào)方法），同時(shí)將提供回調(diào)方法并執(zhí)行視圖更新行為的邏輯抽象為一個(gè)訂閱者類Subscriber,訂閱者實(shí)例擁有一個(gè)update方法，當(dāng)該方法被觀察者（同時(shí)也是發(fā)布者）調(diào)用時(shí)，就會(huì)刷新對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的視圖，很明顯，subscriber實(shí)例需要被添加至指定的觀察者類的回調(diào)隊(duì)列中才能夠生效。

//發(fā)布訂閱模式的偽代碼
//...
'd-bind':function(node, expr){
    //實(shí)例化訂閱者類
    let sub = new Subscriber(node, 'myname',function(){
        //更新視圖
        node.innerHTML = VM.data['myname'];
    });
    //當(dāng)觀察者實(shí)例化時(shí)，需要將這個(gè)sub實(shí)例的update方法添加進(jìn)
},
//...

subscriber.js——訂閱者類

class Subscriber{
    constructor(vm, exp, callback){
        this.vm = vm;
        this.exp = exp;
        this.callback = callback;
        this.value = this.vm.data[this.exp];
    }

    /**
     * 提供給發(fā)布者調(diào)用的方法
     */
    update(){
        return this.run();
    }

    /**
     * 更新視圖時(shí)的實(shí)際執(zhí)行函數(shù)
     */
    run(){
        let currentVal = this.vm.data[this.exp];
        if (this.value !== currentVal) {
            this.value = currentVal;
            this.callback.call(this.vm, this.value);
        }
    }
}

2.2.5 數(shù)據(jù)劫持

在生成一個(gè)subscriber實(shí)例后，還要實(shí)現(xiàn)一個(gè)observer實(shí)例，然后才能夠通過調(diào)用observer.addSub(sub)方法來將訂閱者添加進(jìn)觀察者的回調(diào)隊(duì)列中。先來看一下Observer這個(gè)類的定義：

observer.js——觀察者類

/**
 * 發(fā)布者類，同時(shí)為一個(gè)觀察者
 * 功能包括：
 * 1.觀察視圖模型上數(shù)據(jù)的變化
 * 2.變化出現(xiàn)時(shí)發(fā)布變化消息給訂閱者
 */
class Observer{
    constructor(data){
        this.data = data;
        this.subQueue = {};//訂閱者M(jìn)ap
        this.traverse();
    }

    //遍歷數(shù)據(jù)集中各個(gè)屬性并添加觀察器具
    traverse(){
        Object.keys(this.data).forEach(key=>{
            defineReactive(this.data, key, this.data[key], this);
        });
    }

    notify(key){
        this.subQueue[key].forEach(fn=>fn.update());
    }
}

//修改對(duì)象屬性的get/set方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)劫持
function defineReactive(obj, key, val, observer) {
    //當(dāng)鍵的值仍然是一個(gè)對(duì)象時(shí)，遞歸處理,observe方法定義在dash.js中
    let childOb = observe(val);

    //數(shù)據(jù)劫持
    Object.defineProperty(obj, key, {
        enumerable:true,
        configurable:true,
        get:()=>{
            if (window.curSubscriber) {
                 if (observer.subQueue[key] === undefined) {observer.subQueue[key] = []};
                 observer.subQueue[key].push(window.curSubscriber);
            }
            return val;
        },
        set:(newVal)=>{
            if (val === newVal) return;
            val = newVal;
            //監(jiān)聽新值
            childOb = observe(newVal);
            //通知所有訂閱者
            observer.notify(key);
        }
    })
}

觀察者類實(shí)例化時(shí)，傳入一個(gè)待觀察的數(shù)據(jù)對(duì)象，構(gòu)造器調(diào)用遍歷方法來改寫數(shù)據(jù)集中每一個(gè)鍵的get/set方法，在讀取某個(gè)鍵的值時(shí)，將訂閱者監(jiān)聽器（細(xì)節(jié)下一節(jié)講）添加進(jìn)回調(diào)隊(duì)列，當(dāng)set改變數(shù)據(jù)集中某個(gè)鍵的值時(shí)，調(diào)用觀察者的notify( )方法找到對(duì)應(yīng)鍵的回調(diào)隊(duì)列并以此觸發(fā)。

上面的代碼可以應(yīng)付一般情況，但存在一些明顯的問題就是集中式的回調(diào)隊(duì)列管理，subQueue實(shí)際上是一個(gè)HashMap結(jié)構(gòu)：

subQueue = {
    'myname':[fn1, fn2, fn3],
    'otherAttr':[fn11,fn12, fn13],
        //...
}

不難看出這種管理回調(diào)的方式存在很多問題，遇到嵌套或重名結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)覆蓋，這個(gè)時(shí)候就不難理解Vue2.0源碼中的做法了，在進(jìn)行數(shù)據(jù)劫持時(shí)生成一個(gè)Dep實(shí)例，實(shí)例中維護(hù)一個(gè)回調(diào)隊(duì)列用來管理發(fā)布訂閱，當(dāng)數(shù)據(jù)模型中的屬性被set修改時(shí)，調(diào)用dep.notify( )方法來依次調(diào)用訂閱者添加的回調(diào)，當(dāng)屬性被讀取而觸發(fā)get方法時(shí)，向dep實(shí)例中添加訂閱者的回調(diào)函數(shù)即可。

2.2.6 發(fā)布訂閱的連接

截止目前為止，還有最后一個(gè)問題需要處理，就是訂閱者實(shí)例sub和發(fā)布訂閱管理器實(shí)例dep存在于兩個(gè)不同的作用域里，那么要怎么通過調(diào)用dep.addSub(sub)來實(shí)現(xiàn)訂閱動(dòng)作呢？換個(gè)問法或許你就發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題其實(shí)并不難回答，在SPA框架中，兄弟組件之間如何通信呢？通常都是借助數(shù)據(jù)上浮(公用數(shù)據(jù)提升到共同的父級(jí)組件中)或者EventBus來實(shí)現(xiàn)的。

這里的做法是一致的，在策略類中某個(gè)指令對(duì)應(yīng)的處理方法中，當(dāng)我們準(zhǔn)備從數(shù)據(jù)模型this.data中讀取對(duì)應(yīng)的初值前，先將訂閱者實(shí)例sub掛載到一個(gè)更高的層級(jí)（附件的demo中簡單粗暴地掛載到全局，Vue2.0源碼中掛載到Dep.target），然后再去讀取this.data[expr],這個(gè)時(shí)候在expr屬性被劫持的get方法中，不僅可以訪問到屬于自己的訂閱管理器dep實(shí)例，也可以通過Dep.target訪問到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的訂閱者實(shí)例，那么完成對(duì)應(yīng)的訂閱邏輯就易如反掌了。

2.2.7 邏輯整合

了解了上述細(xì)節(jié)，我們整理一下思路，整體看一下數(shù)據(jù)綁定所經(jīng)歷的各個(gè)環(huán)節(jié)：

2.2.8 Demo

有關(guān)上面示例中d-model和d-click指令綁定的實(shí)現(xiàn)，本文不再贅述，筆者提供了包含詳細(xì)注釋的完整Demo，有需要的讀者可以直接從附件中取用，最后Demo也會(huì)存放在我的github倉庫。

2.2.9 Vue2.0中有關(guān)雙向綁定的源碼

了解了上述細(xì)節(jié)，可以閱讀《vue的雙向綁定原理及實(shí)現(xiàn)》來看看 Vue2.0的源代碼中是如何更加規(guī)范地實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)綁定的。

2.3 數(shù)據(jù)劫持綁定存在的問題

基于劫持的數(shù)據(jù)綁定方法是無法感知數(shù)組方法的，Vue2.0中使用了Hack的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)組元素的感知，其基本原理依舊是通過代理模式實(shí)現(xiàn)，在此直接給出源碼Vue源碼鏈接：

//Vue2.0中有關(guān)數(shù)組方法
const arrayProto = Array.prototype
export const arrayMethods = Object.create(arrayProto)
// hack 以下幾個(gè)函數(shù)
const methodsToPatch = [
  'push',
  'pop',
  'shift',
  'unshift',
  'splice',
  'sort',
  'reverse'
]
methodsToPatch.forEach(function (method) {
  // 獲得原生函數(shù)
  const original = arrayProto[method]
  def(arrayMethods, method, function mutator (...args) {
    // 調(diào)用原生函數(shù)
    const result = original.apply(this, args)
    const ob = this.__ob__
    let inserted
    switch (method) {
      case 'push':
      case 'unshift':
        inserted = args
        break
      case 'splice':
        inserted = args.slice(2)
        break
    }
    if (inserted) ob.observeArray(inserted)
    // 觸發(fā)更新
    ob.dep.notify()
    return result
  })
})

大致的思路是為Array.prototype上幾個(gè)原生方法設(shè)置了訪問代理，并將訂閱管理器的消息發(fā)布方法混入其中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定數(shù)組方法的監(jiān)控。

三. 基于Proxy的數(shù)據(jù)綁定

Vue官方已經(jīng)確認(rèn)3.0版本重構(gòu)數(shù)據(jù)綁定代碼，改為Proxy實(shí)現(xiàn)。

Proxy對(duì)象是ES6引入的原生化的代理對(duì)象，和基于defineProperty實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)劫持在思路上其實(shí)并沒有什么本質(zhì)區(qū)別，都是使用經(jīng)典的“代理模式”來實(shí)現(xiàn)的，只是原生支持的Proxy編寫起來更簡潔，整個(gè)天然支持對(duì)數(shù)組變化的感知能力。Proxy和Reclect對(duì)象基本是成對(duì)出現(xiàn)使用的，屬于元編程范疇，可以從語言層面改變?cè)刑匦裕?code>Proxy可以攔截對(duì)象的數(shù)十種方法，比手動(dòng)實(shí)現(xiàn)的代理模式要清晰很多，也要方便很多。

基本實(shí)現(xiàn)如下：

//使用Proxy代理數(shù)據(jù)模型對(duì)象
let watchVmData = (obj, setBind， getLogger) => {
    let handler = {
        get(target, property, receiver){
            getLogger(target, property);
            return Reflect.get(target, property, receiver);
        },
        set(target, property, value, receiver){
            setBind(value);
            return Reflect.set(target, property, value);
        }
    };
    return new Proxy(obj, handler);
};

//使用Proxy代理
let data = { myname : 1 };
let value;
let vmproxy = watchVmData(obj, (v) => {
    value = v;
},(target, property)=>{
    console.log(`Get ${property} = ${target[property]}`);
});

四. What's next

數(shù)據(jù)綁定只是MVVM模型中的冰山一角，如果你自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)了上面提及的Demo，一定會(huì)發(fā)現(xiàn)很多明顯的問題，例如訂閱者刷新函數(shù)是直接修改DOM的，稍有開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的前端工程師都會(huì)想到需要將變化收集起來，盡可能將高性能消耗的DOM操作合并在一起處理來提升效率，這就引出了一系列我們常常聽到的Virtual-DOM(虛擬DOM樹)和Life-Cycle-Hook(生命周期鉤子)等等知識(shí)點(diǎn)，如果你對(duì)三大框架的底層原理感興趣，可以繼續(xù)探索，那是一件非常有意思的事情。

五. 總結(jié)

通過原理的學(xué)習(xí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)【設(shè)計(jì)模式】的重要性，很多時(shí)候別人用設(shè)計(jì)模式的術(shù)語交流并不是在裝X，而是它真的代表了一些久經(jīng)驗(yàn)證的思想，僅僅是數(shù)據(jù)綁定這樣一個(gè)小小的知識(shí)點(diǎn)，就包含了類模式，代理模式,原型模式,策略模式,發(fā)布訂閱模式的運(yùn)用，代碼的實(shí)現(xiàn)中也涉及到了單一職責(zé)，開放封閉等等開發(fā)原則的考量，框架編寫是一件非?？简?yàn)基本功的事情，在基礎(chǔ)面前，技巧只能是浮云。