AngularJS 脏检查深入分析

写在开头

关于Angular脏检查,之前没有仔细学习,只是旁听道说,Angular 会定时的进行周期性数据检查,将前台和后台数据进行比较,所以非常损耗性能。

这是大错而特错的。我甚至在新浪前端面试的时候胡说一通,现在想来真是羞愧难当! 没有深入了解就信口开河实在难堪大任。

最后被拒也是理所当然。

在剖析之前,非常感谢坐镇苏宁的徐飞,现在已经不在苏宁了,我也是在他翻译的文章(Build Your own AngularJS)和博客才略懂一二。
徐飞关于知乎问题国内前端团队分布和前景是怎样的?的回答也是特别有意思。

误区纠正

首先纠正误区,Angular并不是周期性触发藏检查。
只有当UI事件,ajax请求或者 timeout 延迟事件,才会触发脏检查。
为什么叫脏检查? 对脏数据的检查就是脏检查,比较UI和后台的数据是否一致!
下面解释:

$watch 对象。

Angular 每一个绑定到UI的数据,就会有一个 $watch 对象。
这个对象包含三个参数

watch = {
    name:'',      //当前的watch 对象 观测的数据名
    getNewValue:function($scope){ //得到新值
        ...
        return newValue;
        },
    listener:function(newValue,oldValue){  // 当数据发生改变时需要执行的操作
        ...
    }
}

getNewValue() 可以得到当前$scope 上的最新值,listener 函数得到新值和旧值并进行一些操作。

而常常我们在使用Angular的时候,listener 一般都为空,只有当我们需要监测更改事件的时候,才会显示地添加监听。

每当我们将数据绑定到 UI 上,angular 就会向你的 watchList 上插入一个 $watch。
比如:

<span>{{user}}</span>
<span>{{password}}</span>

这就会插入两个$watch 对象。
之后,开始脏检查。
好了,我们先把脏检查放一放,来看它之前的东西
??
双向数据绑定 ! 只有先理解了Angular的双向数据绑定,才能透彻理解脏检查 。

双向数据绑定

Angular实现了双向数据绑定。无非就是界面的操作能实事反应到数据,数据的更改也能在界面呈现。
界面到数据的更改,是由 UI 事件,ajax请求,或者timeout 等回调操作,而数据到界面的呈现则是由脏检查来做.
这也是我开始纠正的误区
只有当触发UI事件,ajax请求或者 timeout 延迟,才会触发脏检查。
看下面的例子

<div ng-controller="CounterCtrl">
    <span ng-bind="counter"></span>
    <button ng-click="counter=counter+1">increase</button>
</div>
function CounterCtrl($scope) {
    $scope.counter = 1;
}

毫无疑问,我每点击一次button,counter就会+1,因为点击事件,将couter+1,而后触发了脏检查,又将新值2 返回给了界面.
这就是一个简单的双向数据绑定的流程.
但是就只有这么简单吗??
看下面的代码


'use strict';


var app = angular.module('app', []);
app.directive('myclick', function() {
    return function(scope, element, attr) {
        element.on('click', function() {
            scope.data++;
            console.log(scope.data)

        })
    }
})
app.controller('appController', function($scope) {
    $scope.data = 0;
});


    <div ng-app="app">
        <div ng-controller="appController">
            <span>{{data}}</span>
            <button myclick>click</button>
        </div>
    </div>

点击后,毫无反应.
???

试试在 console.log(scope.data) 后面添加 scope.$digest(); 试试?
很明显,数据增加了。如果使用$apply () 呢? 当然可以(后面会接受 $apply 和 $digest 的区别)

为什们呢?
假设没有AngularJS,要让我们自己实现这个类似的功能,该怎么做呢?

<body>
    <button ng-click="increase">increase</button>
    <button ng-click="decrease">decrease</button>
    <span ng-bind="data"></span>
    <script src="app.js"></script>
</body>


window.onload = function() {
    'use strict';

    var scope = {
        increase: function() {
            this.data++;
        },
        decrease: function decrease() {
            this.data--;
        },
        data: 0
    }

    function bind() {
        var list = document.querySelectorAll('[ng-click]');
        for (var i = 0, l = list.length; i < l; i++) {
            list[i].onclick = (function(index) {
                return function() {
                    var func = this.getAttribute('ng-click');
                    scope[func](scope);
                    apply();
                }
            })(i);
        }
    }

    // apply
    function apply() {
        var list = document.querySelectorAll('[ng-bind]');
        for (var i = 0, l = list.length; i < l; i++) {
            var bindData = list[i].getAttribute('ng-bind');
            list[i].innerHTML = scope[bindData];
        }
    }

    bind();
    apply();
}

测试一下:

可以看到我们没有直接使用DOM的onclick方法,而是搞了一个ng-click,然后在bind里面把这个ng-click对应的函数拿出来,绑定到onclick的事件处理函数中。为什么要这样呢?因为数据虽然变更了,但是还没有往界面上填充,我们需要在此做一些附加操作。
另外,由于双向绑定机制,在DOM操作中,虽然更新了数据的值,但是并没有立即反映到界面上,而是通过 apply() 来反映到界面上,从而完成职责的分离,可以认为是单一职责模式了。
在真正的Angular中,ng-click 封装了click,然后调用一次 apply 函数,把数据呈现到界面上
在Angular 的apply函数中,这里先进行脏检测,看 oldValue 和 newVlue 是否相等,如果不相等,那么讲newValue 反馈到界面上,通过如果通过 $watch 注册了 listener事件,那么就会调用该事件。

脏检查的优缺点

经过我们上面的分析,可以总结:

  • 简单理解,一次脏检查就是调用一次 $apply() 或者 $digest(),将数据中最新的值呈现在界面上。
  • 而每次 UI 事件变更,ajax 还有 timeout 都会触发 $apply()。

然而就有了接下来的讨论?

不断触发脏检查是不是一种好的方式?
有很多人认为,这样对性能的损耗很大,不如 setter 和 getter 的观察者模式。 但是我们看下面这个例子

<span>{{checkedItemsNumber}}</span>
function Ctrl($scope){
   var  list = [];
   $scope.checkedItemsNumber = 0;
   for(var i = 0;i<1000;i++){
    list.push(false);
   } 
   $scope.toggleChecked = function(flag){
    for(var i = 0,l= list.length;i++){
        list[i] = flag;
        $scope.checkedItemsNumber++;
    }
   }
}

在脏检测的机制下,这个过程毫无压力,会等待到 循环执行结束,然后一次更新 checkedItemsNumber,应用到界面上。 但是在基于setter的机制就惨了,每变化一次checkedItemsNumber就需要更新一次,这样性能就会极低。
所以说,两种不同的监控方式,各有其优缺点,最好的办法是了解各自使用方式的差异,考虑出它们性能的差异所在,在不同的业务场景中,避开最容易造成性能瓶颈的用法。

好了,现在已经了解了双向数据绑定了 脏检查的触发机制,那么,脏检查内部又是怎么实现的呢?

脏检查的内部实现

首先,构造$scope 对象,

function $scope = function(){}

现在,我们回到开头 $watch。
我们说,每一个绑定到UI上的数据都有拥有一个对应的$watch 对象,这个对象会被push到watchList中。
它拥有两个函数作为属性

  • getNewValue() 也叫监控函数,勇于在值发生变化后得到提示,并返回新值。
  • listener() 监听函数,用于在数据变更的时候响应行为。
    还有一个字符串属性
  • name: 当前watch作用的变量名
function $scope(){
   this. $$watchList = [];
}

在Angular框架中,双美元符前缀$$表示这个变量被当作私有的来考虑,不应当在外部代码中调用。

现在我们可以定义$watch方法了。它接受两个函数作参数,把它们存储在$$watchers数组中。我们需要在每个Scope实例上存储这些函数,所以要把它放在Scope的原型上:

$scope.prototype.$watch = function(name,getNewValue,listener){
    var watch = {
       name:name,
       getNewValue : getNewValue,
       listener : listener
    };

    this.$$watchList.push(watch);
}

另外一面就是$digest函数。它执行了所有在作用域上注册过的监听器。我们来实现一个它的简化版,遍历所有监听器,调用它们的监听函数:

$scope.prototype.$digest = function(){
    var list = this.$$watchList;
    for(var i = 0,l = list.length;i<l;i++){
        list[i].listener();
    }
}

现在,我们就可以添加监听器并且运行脏检查了。

var scope = new Scope();
scope.$watch(function() {
    console.log("hey i have got newValue")
}, function() {
    console.log("i am the listener");
})

scope.$watch(function() {
    console.log("hey i have got newValue 2")
}, function() {
    console.log("i am the listener2");
})

scope.$disget();

代码会托管到github,测试文件路径跟命令中路径一致

OK,两个监听均已经触发。
这些本身没什么大用,我们要的是能检测由getNewValue返回指定的值是否确实变更了,然后调用监听函数。
那么,我们需要在getNewValue() 上每次都得到数据上最新的值,所以需要得到当前的scope对象

getNewValue = function(scope){
    return scope[this.name];
}

是监控函数的一般形式:从作用域获取一些值,然后返回。

$digest函数的作用是调用这个监控函数,并且比较它返回的值和上一次返回值的差异。如果不相同,监听器就是脏的,它的监听函数就应当被调用。

想要这么做,$digest需要记住每个监控函数上次返回的值。既然我们现在已经为每个监听器创建过一个对象,只要把上一次的值存在这上面就行了。下面是检测每个监控函数值变更的$digest新实现:

$scope.prototype.$digest = function(){
    var list = this.$$watchList;
    for(var i = 0,l= list.length;i++){
        var watch = list[i];
        var newValue = watch.getNewValue(this);
        // 在第一次渲染界面,进行一个数据呈现.
        var oldValue = watch.last;
        if(newValue!=oldValue){
            watch.listener(newValue,oldValue);
        }
        watch.last = newValue;
    }
}

对于每一个watch,我们使用 getNewValue() 并且把scope实例 传递进去,得到数据最新值 。然后和上一次值进行比较,如果不同,那就调用 getListener,同时把新值和旧值一并传递进去。 最终,我们把last 属性设置为新返回的值,也就是最新值。
这个$digest 再一次调用,last 为undefined,所以一定会进行一次数据呈现。

好了,我们看看这个监控函数如何运行的


var scope = new $scope();
scope.hello = 10;
scope.$watch('hello', function(scope) {
    // 注意,要理解这里的this ,这个函数实际是  var newValue = watch.getNewValue(this); 这样调用,那么 this 就指的是当前监听器watch,所以可以得到name
        return scope[this.name]
    },
    function(newValue, oldValue) {
        console.log('newValue:' + newValue + '~~~~' + 'oldValue:' + oldValue);
    })
scope.$digest();
scope.hello = 10;
scope.$digest();
scope.hello = 20;
scope.$digest();
 

运行结果

我们已经实现了Angular作用域的本质:添加监听器,在digest里运行它们。

也已经可以看到几个关于Angular作用域的重要性能特性:

  • 在作用域上添加数据本身并不会有性能折扣。如果没有监听器在监控某个属性,它在不在作用域上都无所谓。Angular并不会遍历作用域的属性,它遍历的是监听器。一旦将数据绑定到UI上,就会添加一个监听器。
  • $digest里会调用每个getNewValue(),因此,最好关注监听器的数量,还有每个独立的监控函数或者表达式的性能。

有时候并不需要注册那么多的Listener

在看我们上面的程序:

$scope.prototype.$digest = function(){
    var list = this.$$watchList;
    for(var i = 0,l= list.length;i++){
        var watch = list[i];
        var newValue = watch.getNewValue(this);
        // 在第一次渲染界面,进行一个数据呈现.
        var oldValue = watch.last;
        if(newValue!=oldValue){
            watch.listener(newValue,oldValue);
        }
        watch.last = newValue;
    }
}

我们这样做,就要求每个监听器watch 都必须注册 listener,然而事实是:在Angular 应用中,只有少数的监听器需要注册listener。
更改 $scope.prototype.$wacth,在这里放置一个空的函数。

$scope.prototype.$watch = function(name,getNewValue,listener){
    var watch = {
       name:name,
       getNewValue : getNewValue,
       listener : listener || function(){}
    };

    this.$$watchList.push(watch);
}

貌似这样已经初步理解了脏检查原理,但是一个重要的问题我们忽视了。
先后注册了两个监听器,第二个监听器的listener 改变了 第一个监听器对应数据的值,那么这么做会检测的到吗?
看下面的例子


var scope = new $scope();
scope.first = 10;
scope.second = 1;
scope.$watch('first', function(scope) {
        return scope[this.name]
    },
    function(newValue, oldValue) {
        console.log('first:      newValue:' + newValue + '~~~~' + 'oldValue:' + oldValue);
    })

scope.$watch('second', function(scope) {
        return scope[this.name]
    },
    function(newValue, oldValue) {
        scope.first = 8;
        console.log('second:     newValue:' + newValue + '~~~~' + 'oldValue:' + oldValue);
    })
scope.$digest();
console.log(scope.first);
console.log(scope.second);

可以看到,值为 8,1,已经发生改变,但是界面上的值却没有改变。

现在来修复这个问题。

当数据脏的时候持续Digest

我们需要改变一下digest,让它持续遍历所有监听器,直到监控的值停止变更。

首先,我们把现在的$digest函数改名为$$digestOnce,它把所有的监听器运行一次,返回一个布尔值,表示是否还有变更了。

$scope.prototype.$$digestOnce = function() {
  var dirty;
  var list = this.$$watchList;

  for(var i = 0,l = list.length;i<l;i++ ){
    var watch = list[i];
    var newValue = watch.getNewValue(this.name);
    var oldValue = watch.last;
    if(newValue !==oldValue){
        watch.listener(newValue,oldValue);
        // 因为listener操作,已经检查过的数据可能变脏
        dirty = true;
    }

     watch.last = newValue;
     return dirty;
    }
};

然后,我们重新定义$digest,它作为一个“外层循环”来运行,当有变更发生的时候,调用$$digestOnce:

$scope.prototype.$digest = function() {
  var dirty = true;
  while(dirty) {
    dirty = this.$$digestOnce();
  } 
};

$digest现在至少运行每个监听器一次了。如果第一次运行完,有监控值发生变更了,标记为dirty,所有监听器再运行第二次。这会一直运行,直到所有监控的值都不再变化,整个局面稳定下来了。

在Angular作用域里并不是真的有个函数叫做$$digestOnce,相反,digest循环都是包含在$digest里的。我们的目标更多是清晰度而不是性能,所以把内层循环封装成了一个函数。

测试一下

var scope = new $scope();
scope.first = 10;
scope.second = 1;
scope.$watch('first', function(scope) {
        return scope[this.name]
    },
    function(newValue, oldValue) {
        console.log('first:      newValue:' + newValue + '~~~~' + 'oldValue:' + oldValue);
    })

scope.$watch('second', function(scope) {
        return scope[this.name]
    },
    function(newValue, oldValue) {
        scope.first = 8;
        console.log('second:     newValue:' + newValue + '~~~~' + 'oldValue:' + oldValue);
    })
scope.$digest();
console.log(scope.first);
console.log(scope.second);

可以看到,现在界面上的数据已经全部为最新
我们现在可以对Angular的监听器有另外一个重要认识:它们可能在单次digest里面被执行多次。这也就是为什么人们经常说,监听器应当是幂等的:一个监听器应当没有边界效应,或者边界效应只应当发生有限次。比如说,假设一个监控函数触发了一个Ajax请求,无法确定你的应用程序发了多少个请求。

如果两个监听器循环改变呢?像现在这样:

var scope = new $scope();
scope.first = 10;
scope.second = 1;
scope.$watch('first', function(scope) {
        return scope[this.name]
    },
    function(newValue, oldValue) {
       scope.second ++;
    })

scope.$watch('second', function(scope) {
        return scope[this.name]
    },
    function(newValue, oldValue) {
        scope.first ++;
    })

那么,脏检查就不会停下来,一直循环下去。如何解决呢?

更稳定的 $digest

我们要做的事情是,把digest的运行控制在一个可接受的迭代数量内。如果这么多次之后,作用域还在变更,就勇敢放手,宣布它永远不会稳定。在这个点上,我们会抛出一个异常,因为不管作用域的状态变成怎样,它都不太可能是用户想要的结果。

迭代的最大值称为TTL(short for Time To Live)。这个值默认是10,可能有点小(我们刚运行了这个digest 100,000次!),但是记住这是一个性能敏感的地方,因为digest经常被执行,而且每个digest运行了所有的监听器。用户也不太可能创建10个以上链状的监听器。

我们继续,给外层digest循环添加一个循环计数器。如果达到了TTL,就抛出异常:

$scope.prototype.$digest = function() {
  var dirty = true;
  var checkTimes = 0;
  while(dirty) {
    dirty = this.$$digestOnce();
    checkTimes++;
    if(checkTimes>10 &&dirty){
        throw new Error("检测超过10次");
        console.log("123");
    }
  };
};

测试一下

var scope = new $scope();
scope.first = 1;
scope.second = 10;
scope.$watch('first', function(scope) {
        return scope[this.name]
    },
    function(newValue, oldValue) {
        scope.second++;
        console.log('first:      newValue:' + newValue + '~~~~' + 'oldValue:' + oldValue);
    })

scope.$watch('second', function(scope) {
        return scope[this.name]
    },
    function(newValue, oldValue) {
        scope.first++;
        console.log('second:     newValue:' + newValue + '~~~~' + 'oldValue:' + oldValue);
    })
scope.$digest();

好了,关于 Angular 脏检查和 双向数据绑定原理就介绍到这里,虽然离真正的Angular 还差很多,但是也能基本解释原理了。

关于 这篇中所有的代码,已经放到github上 https://github.com/apawn/HFLib/tree/master/HFLib/angular .
推荐一本原著 《Build Your Own AngularJS》,书中详细介绍了如何构建一个AngularJS。估计翻译版本会在年后出版,如果可以读完这本书,那么 JS的能力将会上升一个等级。
关于司徒正美的 《Javascript框架设计》 也是前端深入研究的必读之书。
后面在阅读的时候,我会把自己的阅读经验分享出来。

只是把这些搞明白之后,现在再也没有去面试新浪应届生的机会了 。
虽然不知道明年会在哪,但一定会进入一个优秀的前端团队并努力展示更好的面貌的。
如果您有意,欢迎联系我,Email:mymeat@126.com

在这篇中,我有提到 VueJS 中 基于 setter 和 getter 的实现,我讲会深入学习并在下一篇介绍。

posted @ 2016-12-15 16:02  小精灵儿Pawn  Views(17318)  Comments(15Edit  收藏  举报

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