Ivy编译器中增量DOM的示例分析

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作为“为大型前端项目”而设计的前端框架，Angular 其实有许多值得参考和学习的设计，本系列主要用于研究这些设计和功能的实现原理。本文围绕 Angular 的核心功能 Ivy 编译器，介绍其中的增量 DOM 设计。

在介绍前端框架的时候，我常常会介绍到模板引擎。对于模板引擎的渲染过程，像 Vue/React 这样的框架里，使用了虚拟 DOM 这样的设计。

在 Angular Ivy 编译器中，并没有使用虚拟 DOM，而且使用了增量 DOM。

增量 DOM

在 Ivy 编译器里，模板编译后的产物与 View Engine 不一样了，这是为了支持单独编译、增量编译等能力。

比如，My name is {{name}}这句模板代码，在 Ivy 编译器中编译后的代码大概长这个样子：

// 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，相比于 View Engine 中的elementDef(0,null,null,1,'span',...),，elementStart()、elementEnd()这些 API 显得更加清爽，它们使用的便是增量 DOM 的设计。

增量 DOM vs 虚拟 DOM

虚拟 DOM 想必大家都已经有所了解，它的核心计算过程包括：

用 JavaScript 对象模拟 DOM 树，得到一棵虚拟 DOM 树。
当页面数据变更时，生成新的虚拟 DOM 树，比较新旧两棵虚拟 DOM 树的差异。
把差异应用到真正的 DOM 树上。

虽然虚拟 DOM 解决了页面被频繁更新和渲染带来的性能问题，但传统虚拟 DOM 依然有以下性能瓶颈：

在单个组件内部依然需要遍历该组件的整个虚拟 DOM 树
在一些组件整个模版内只有少量动态节点的情况下，这些遍历都是性能的浪费
递归遍历和更新逻辑容易导致 UI 渲染被阻塞，用户体验下降

针对这些情况，React 和 Vue 等框架也有更多的优化，比如 React 中分别对 tree diff、component diff 以及 element diff 进行了算法优化，同时引入了任务调度来控制状态更新的计算和渲染。在 Vue 3.0 中，则将虚拟 DOM 的更新从以前的整体作用域调整为树状作用域，树状的结构会带来算法的简化以及性能的提升。

而不管怎样，虚拟 DOM 的设计中存在一个无法避免的问题：每个渲染操作分配一个新的虚拟 DOM 树，该树至少大到足以容纳发生变化的节点，并且通常更大一些，这样的设计会导致更多的一些内存占用。当大型虚拟 DOM 树需要大量更新时，尤其是在内存受限的移动设备上，性能可能会受到影响。

增量 DOM 的设计核心思想是：

在创建新的（虚拟）DOM 树时，沿着现有的树走，并在进行时找出更改。
如果没有变化，则不分配内存；
如果有，改变现有树（仅在绝对必要时分配内存）并将差异应用到物理 DOM。

这里将（虚拟）放在括号中是因为，当将预先计算的元信息混合到现有 DOM 节点中时，使用物理 DOM 树而不是依赖虚拟 DOM 树实际上已经足够快了。

与基于虚拟 DOM 的方法相比，增量 DOM 有两个主要优势：

增量特性允许在渲染过程中显着减少内存分配，从而实现更可预测的性能
它很容易映射到基于模板的方法。控制语句和循环可以与元素和属性声明自由混合

增量 DOM 的设计由 Google 提出，同时他们也提供了一个开源库 google/incremental-dom，它是一个用于表达和应用 DOM 树更新的库。JavaScript 可用于提取、迭代数据并将其转换为生成 HTMLElements 和 Text 节点的调用。

但新的 Ivy 引擎没有直接使用它，而是实现了自己的版本。

Ivy 中的增量 DOM

Ivy 引擎基于增量 DOM 的概念，它与虚拟 DOM 方法的不同之处在于，diff 操作是针对 DOM 增量执行的（即一次一个节点），而不是在虚拟 DOM 树上执行。基于这样的设计，增量 DOM 与 Angular 中的脏检查机制其实能很好地搭配。

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: " Hello, {{name}}! ",
})
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。

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