MVVM双向绑定全量版整理

随着各大前端框架的崛起,前端技术热词不断演进,我们只有知道发展的原因,才能去理解各项技术的优劣,根据应用的实际情况做出最合适的技术栈选择。 当前前端领域的前沿特性,双向绑定必占一席,双向绑定是怎么来的?各大框架如何实现双向绑定?我们怎样做出选择?本文对此作了全面整理说明。

发展背景

早期的Web开发主要基于MVC模式,MVC即Model-View-Controller的缩写,表示模型-视图-控制器,一个标准的Web应用组成如下:

  • View用来把数据以某种方式呈现给用户;
  • Model数据;
  • Controller接收并处理来自用户的请求,将Model返回给用户。

这种MVC架构模式对于简单的应用是合适的,符合软件架构分层的思想。但随着H5的发展以及当前各种页面复杂操作行为及数据的出现,MVC暴露出了痛点问题:

  1. 代码中大量调用DOM API时,处理繁琐,使得代码难以维护。
  2. 当Model频繁发生变化时,开发者需要主动更新到View;用户操作导致Model发生变化时,同样需要将数据同步到Model中,很难维护复杂多变的数据状态。

MVVM是Model-View-ViewModel的缩写,VM代替了C,改变了通信方向,View与Model不发生联系,通过ViewModel传递。可以做到View层用户操作时,ViewModel层数据同步更新,ViewModel数据变化时,支持同步更新到View层,提升了数据频繁变化时的代码可维护性。这里的View与ViewModel之间的双向同步过程,我们称之为双向绑定。

用一张动图来感受一下,表单change产生数据变化时自动更新ViewModel, ViewModel因外界事件导致数据改变时会同步到View。

当前热门的前端框架Angular和Vue都主打MVVM模式,建立视图层与视图模型层之间的数据连接,可以轻松实现表单变化的数据反馈到模型层。而React框架则推荐单向数据流,使用自身render机制完成视图渲染,实际上只担任了View层。我们来看一看各个不同框架对此都做了怎样的工作。

Angular的脏值检测

脏值检测是Angular的数据更新思路,”脏值“意为dirty data,表示当前数据与上一轮UI更新的数据不同,Angular通过监听数据异步更新,采用比较不同component组件中方式更新DOM。总结起来, 主要有如下几种情况可能改变数据:

  • 用户输入事件,比如click事件;
  • 请求服务端数据(XHR);
  • 定时事件,比如setTimeout,setInterval。

上述三种情况都有一个共同点,即这些导致绑定值发生改变的事件都是异步发生的,如下为JavaScript的异步机制:

左边表示将要运行的代码,这里的stack表示JavaScript的运行栈,而WebApi则是浏览器中提供的一些JavaScript的API,TaskQueue表示JavaScript中任务队列,因为JavaScript是单线程的,异步任务在任务队列中执行。如果这些异步的事件在发生时能够执行Angular重写的异步事件,通知到Angular框架,那么Angular就能及时的检测到变化。Angular在这里使用了Zone.js做异步处理的脏值检测,细节可以查看《Zone.js究竟是如何工作的》以及angular/zone.js源码

Angular的每一个Component都对应有一个changeDetector,意为变化检测器。由于我们的多个Component是一个树状结构的组织,一个Component对应一个changeDetector,所以changeDetector之间同样是一个树状结构的组织。

我们用一个图例来进行说明检测到脏值变化后的更新过程,下图每一个模块都是一个changeDetector变化检测器,红色区块表示有UI更新的变化检测器,左侧为脏值变化检测前,右侧为有脏值变化时的UI更新。根据上述EventLoop机制,Angular框架层捕获到异步事件对一个component数据更新后,从根组件开始,通知当前组件链路及以下链路,进行View层更新(OnPush模式)。因此,无论是从V层出发的用户输入事件,还是VM处产生的定时、Http事件,都能保证数据更新、界面更新!

但是自Angular1推出脏值检测机制以来,在性能上一直饱受质疑,原因如下:

  1. 如果有一个ComponentA数据修改,影响了下路ComponentB。
  2. 下路的componentB数据在更新时触发了数据调整机制,下路Component更新的短时间过程中,又影响了ComponentA。那么最终是否会形成ComponentA、ComponentB的检测循环?

对于以上问题,Angular1的解决方式是,如果有10次往复循环,就不再进行继续检测。无论是性能还是结果,都不能令人满意。因此Angular2以脱胎换骨的方式进行了重构,支持dev开发模式与prod线上模式,prod线上模式只进行单向数据流检测,并支持设置ChangeDetectionStrategy变化检测策略,具备局部组件View层更新能力,因此性能上有了明显突破。

Vue的数据劫持+发布订阅

Vue的双向绑定策略基础是数据劫持,在Vue2.0中使用了ES5语法Object.defineProperty,来劫持各个属性的 setter/getter,在数据变动时发布消息给订阅者(Wacther), 触发相应的监听回调。先来看一下这个ES5特性,我们可以通过Object.defineProperty这个方法,直接在一个对象上定义一个新的属性,或者修改已存在的属性,最终这个方法会返回该对象,如下为简单说明,对该特性不了解的同学可以查看《JavaScript高级程序设计》的第六章,或者在线访问MDN Web文档

var o = {};
var value = 1;
Object.defineProperty(o, 'a', {
  get: function() { return value; },
  set: function(newValue) { value = newValue; },
  enumerable: true,
  configurable: true
});
o.a; // 1
o.a = 2;
o.a; // 2

结合这一特定与发布订阅机制,可以实现完整的双向绑定。如下所示,Observer数据监听器能够对数据对象的所有属性进行监听,如有变动可拿到最新值并通知订阅者,内部采用Object.defineProperty的getter和setter来实现。

Compile 指令解析器,它的作用对每个元素节点的指令进行扫描和解析,根据指令模板替换数据,以及绑定相应的更新函数。

Watcher 订阅者, 作为连接 Observer 和 Compile 的桥梁,能够订阅并收到每个属性变动的通知,执行指令绑定的相应回调函数。

Dep 消息订阅器,内部维护了一个数组,用来收集订阅者(Watcher),数据变动触发notify 函数,再调用订阅者的 update 方法。

当执行new Vue() 时,Vue就进入了初始化阶段,一方面会遍历data选项中的属性,用Object.defineProperty将它们转为 getter/setter,实现数据变化监听功能;另一方面,Vue 的指令编译器Compile对元素节点的指令进行扫描和解析,初始化视图,并订阅Watcher来更新视图, 此时Wather会将自己添加到消息订阅器中(Dep),初始化完毕。当数据发生变化时,Observer中的setter方法被触发,setter会立即调用Dep.notify(),Dep开始遍历所有的订阅者,并调用订阅者的update方法,订阅者收到通知后对视图进行相应的更新。

使用Object.defineProperty这个特性存在一些明显的缺点,总结起来大概是下面两个:

  1. Object.defineProperty无法监控到数组下标的变化,当监控数组数据对象的时候,实质上就是监控数组的地址,地址不变也就不会被监测到。为了解决这个问题,经过Vue内部处理后可以使用push、pop、shift、unshift、splice、sort、reverse来监听数组。
  2. Object.defineProperty只能劫持对象的属性,因此我们需要对每个对象的每个属性进行遍历。Vue 2.x里,是通过 递归 + 遍历 data 对象来实现对数据的监控的,如果属性值也是对象那么需要深度遍历,显然如果能劫持一个完整的对象是才是更好的选择。

由于只针对了以上八种方法进行了hack处理,所以其他数组的属性也是检测不到的,还是具有一定的局限性。Vue3.0中使用了ES6语法Proxy,用于取代defineProperty,使用Proxy有以下两个优点:

  1. 可以劫持整个对象,并返回一个新对象;
  2. 有13种劫持操作。

既然Proxy能解决以上两个问题,而且Proxy作为ES6的新属性在Vue2.x之前就有了,为什么Vue2.x不使用Proxy呢?一个很重要的原因就是,Proxy是ES6提供的新特性,兼容性不好,并且这个属性无法用polyfill来兼容。

Vue的双向绑定策略成为当前考察前端人员技术功底的重点,我们以Object.defineProperty特性实现一个简单的双向绑定,实现最初的hello everyone效果。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
    <head>
        <title>双向绑定最最最初级demo</title>
        <meta charset="UTF-8">
    </head>
    <body>
        <div id="app">
            <input type="text" id="txt">
            <p id="show-txt"></p>
            <button onClick="changeData()">更新数据</button>
        </div>
    </body>
    <script>
        var obj={}
        Object.defineProperty(obj,'txt',{
            get:function(){
                return obj
            },
            set:function(newValue){
                document.getElementById('txt').value = newValue
                document.getElementById('show-txt').innerHTML = newValue
            }
        })
        document.addEventListener('keyup',function(e){
            obj.txt = e.target.value
        })
        changeData = function() {
            obj.txt = 'hello world';
        }
    </script>
</html>

由于Object.defineProperty默认只能劫持值类型数据,对引用类型数据的内部修改无法劫持,需要重写覆盖原原型方法,以Array为例,如下可以支持到7种数组方法:

let arr = [];
let arrayMethod = Object.create(Array.prototype);
['push', 'pop', 'shift', 'unshift', 'splice', 'sort', 'reverse'].forEach(function (method) {
    Object.defineProperty(arrayMethod, method, {
        enumerable: true,
        configurable: true,
        value: function () {
            let args = [...arguments]
            Array.prototype[method].apply(this, args);
            console.log(`operation: ${method}`);
        }
    })
});
arr.__proto__ = arrayMethod;
arr.push(1);  // 劫持到了push方法

相对完整的仿Vue双向绑定实现,来自双向绑定数组源码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
    <head>
        <title>双向绑定支持数组监听</title>
        <meta charset="UTF-8">
    </head>
    <body>
        <div id="app">
            <div id='list'></div>
            <input type="button" value="添加" onclick="btnAdd()" />
            <input type="button" value="删除" onclick="btnDel()" />
        </div>
    </body>
    <script>
        //数据源
        let vm = {
            list: [1, 2, 3, 4]
        }
        //用于管理watcher的Dep对象
        let Dep = function () {
            this.list = [];
            this.add = function (watcher) {
                this.list.push(watcher)
            };
            this.notify = function (newValue) {
                this.list.forEach(function (fn) {
                    fn(newValue)
                })
            }
        };
        // 模拟compile,通过对Html的解析生成一系列订阅者(watcher)
        function renderList() {
            let listContainer = document.querySelector('#list');
            let contentList = '';
            vm.list.forEach(function (item) {
                contentList = contentList + `<div><h3>${item}</h3></div>`
            })
            listContainer.innerHTML = contentList;
        }
        //将解析出来的watcher存入Dep中待用
        let dep = new Dep();
        dep.add(renderList)
        //核心方法
        function initMVVM(vm) {
            Object.keys(vm).forEach(function (key) {
                let value = vm[key];
                if (Array.isArray(value)) {
                    observeArray(vm, key)
                }
            })
        }
        function observeArray(vm, key) {
            let arrayMethod = bindWatcherToArray();
            vm[key].__proto__ = arrayMethod;
        }
        function bindWatcherToArray() {
            let arrayMethod = Object.create(Array.prototype);
            ['push', 'pop', 'shift', 'unshift', 'splice', 'sort', 'reverse'].forEach(function (method) {
                Object.defineProperty(arrayMethod, method, {
                    enumerable: true,
                    configurable: true,
                    value: function () {
                        let args = [...arguments]
                        Array.prototype[method].apply(this, args);
                        console.log(`operation: ${method}`)
                        dep.notify();
                    }
                })
            });
            return arrayMethod
        }
        //页面引用的方法
        function btnAdd() {
            vm.list.push(Math.random())
        }
        function btnDel() {
            vm.list.pop()
        }
        //初始化数据源
        initMVVM(vm)
        //初始化页面
        dep.notify();
    </script>
</html>

React的工具辅助

React推荐单向数据流,目标从来不是“让开发者写更少的代码”,而是让“代码结构更加清晰易于维护”。加上有如下Redux的状态管理方案,可以很清楚地了解应用中状态数据,体现其单向数据流的优势。

由于React推荐单向数据流,没有上述Angular和Vue的双向绑定特性,如果出现似表单类用户视图和存储数据有同步的业务场景,我们需要怎么实现?Redux的重型状态管理不适合应用于每个场景。一般在React里的表单,我们可以监听 “change” 事件来实现数据变更,默认写法是从数据源(通常是DOM)读取并在我们的某个组件调用 setState() , 如下代码为常规的表单使用方式:

var NoLink = React.createClass({
  getInitialState: function() {
    return {message: 'Hello!'};
  },
  handleChange: function(event) {
    this.setState({message: event.target.value});
  },
  render: function() {
    var message = this.state.message;
    return <input type="text" value={message} onChange={this.handleChange} />;
  }
});

以上写法每出现一个表单,就需要绑定一个事件,在只有少量表单时还能使用,一旦表单增多,维护大量value和onChange成了React的痛点。React官方也提供了一种方案 ReactLink:设置如上代码描述的通用数据回流模式的语法糖,或者 “linking” 某些数据结构到 React state,做一层对 onChange和setState() 模式的薄包装。它没有根本性地改变你的React应用里数据如何流动,下面是ReactLink提供的使用方式:

var LinkedStateMixin = require('react-addons-linked-state-mixin');
var WithLink = React.createClass({
  mixins: [LinkedStateMixin],
  getInitialState: function() {
    return {message: 'Hello!'};
  },
  render: function() {
    return <input type="text" valueLink={this.linkState('message')} />;
  }
});

实际项目中,我们几乎不会使用官方提供的createClass方案,毕竟写法受限。如何减少value与onChange的使用,简化React下的表单开发,成为了大量轮子制造工程的出发点。下述各团队产出的form表单解决方案都给出了一定的方式,以及其他各种平台下的开源轮子数不胜数,可以选择一两种进行了解。

追根究底,都是对大量的value与onChange进行整合,将表单DOM的使用方式简化,由辅助函数统一控制。我们可以通过处理函数通用化,来模拟文中提到的动态双向绑定效果。

import React, {Component} from 'react'
export default class Hello extends Component {
  state = { val: '' };
  handleInput = _event => {
    let event = _event;
    let elem = event.target;
    let value = elem.value;
    if (elem.attributes.bindField !== null) {
      let attr = elem.attributes.bindField.value;
      this.setState(state => state[attr] = value);
    }
  }
  updateValue = (getFiled, getValue) => {
    let fieldNodeList = [...document.querySelectorAll('[bindField]')];
    let fieldNode = fieldNodeList.find(node => node.attributes[0].nodeValue === getFiled);
    fieldNode.value = getValue;
    let attr = fieldNode.attributes.bindField.value;
    this.setState(state => state[attr] = getValue);
  }
  render() {
    return (
      <div>
        <input onInput={this.handleInput} bindField={'val'} />
        <p>{this.state.val}</p>
        <button onClick={() => this.updateValue('val', 'hello world')}>设置</button>
      </div>
    )
  }
}

写在最后

关于MVVM双向绑定的策略百花齐放,各有利弊,Angular与Vue通过不同策略直接将双向绑定特性植入框架中,React推荐单向数据流,但也确实存在不少需要减少编码的双向绑定场景,因此涌现了大量双向绑定辅助库。

Angular框架大而全,主要由Google团队维护,从特性上看适用于中后台应用,每个关键模块都有官方主导,因此更为稳定。React实际上仅为一个视图层Js库,由Facebook推出,但经过社区整合,已经形成了完整的生态。Vue属于后起之秀,没有大厂背景依靠,但由于使用简单,渲染快,在国内市场增速明显,周边生态也已成熟。

无论技术如何实现,只有适合自己当前业务场景的策略才是最好的解决方案。

参考附录:

  1. 《Vue.js 和 MVVM 小细节》
  2. 《angular系列之变化检测(Change Detection)》
  3. 《vue3.0尝鲜 – 摒弃Object.defineProperty,基于 Proxy 的观察者机制探索》
  4. 《实现一个简单的双向绑定》
  5. 《react官网双向绑定辅助工具》

作者介绍: 飞来,就职于阿里巴巴 CBU 体验技术部,一个以前常写 Angular,刚开始转 React,研究过但没真正写 Vue 的前端人。

  • 发表于:
  • 本文为 InfoQ 中文站特供稿件
  • 首发地址https://www.infoq.cn/article/sGeiocEofyryEbrkYH30
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