Vue的数据依赖实现原理简析

摘要：在实例化的过程中，提供的构造函数就使用我们传入的去完成数据的依赖管理，初始化的过程只有一次，但是在你自己的程序当中，数据的依赖管理的次数不止一次。当响应式属性调用函数时，通过方法去遍历所有的依赖，调用去完成数据的动态响应。

首先让我们从最简单的一个实例Vue入手:

    const app = new Vue({
        // options  传入一个选项obj.这个obj即对于这个vue实例的初始化
    })

通过查阅文档，我们可以知道这个options可以接受:

选项/数据

data

props

propsData(方便测试使用)

computed

methods

watch

选项 / DOM

选项 / 生命周期钩子

选项 / 资源

选项 / 杂项

具体未展开的内容请自行查阅相关文档，接下来让我们来看看传入的选项/数据是如何管理数据之间的相互依赖的。

    const app = new Vue({
        el: "#app",
        props: {
          a: {
            type: Object,
            default () {
              return {
                key1: "a",
                key2: {
                    a: "b"
                }
              }
            }
          }
        },
        data: {
          msg1: "Hello world!",
          arr: {
            arr1: 1
          }
        },
        watch: {
          a (newVal, oldVal) {
            console.log(newVal, oldVal)
          }
        },
        methods: {
          go () {
            console.log("This is simple demo")
          }
        }
    })

我们使用Vue这个构造函数去实例化了一个vue实例app。传入了props, data, watch, methods等属性。在实例化的过程中，Vue提供的构造函数就使用我们传入的options去完成数据的依赖管理，初始化的过程只有一次，但是在你自己的程序当中，数据的依赖管理的次数不止一次。

那Vue的构造函数到底是怎么实现的呢？Vue

// 构造函数
function Vue (options) {
  if (process.env.NODE_ENV !== "production" &&
    !(this instanceof Vue)) {
    warn("Vue is a constructor and should be called with the `new` keyword")
  }
  this._init(options)
}

// 对Vue这个class进行mixin,即在原型上添加方法
// Vue.prototype.* = function () {}
initMixin(Vue)
stateMixin(Vue)
eventsMixin(Vue)
lifecycleMixin(Vue)
renderMixin(Vue)

当我们调用new Vue的时候，事实上就调用的Vue原型上的_init方法.

// 原型上提供_init方法,新建一个vue实例并传入options参数
  Vue.prototype._init = function (options?: Object) {
    const vm: Component = this
    // a uid
    vm._uid = uid++

    let startTag, endTag
    // a flag to avoid this being observed
    vm._isVue = true
    // merge options
    if (options && options._isComponent) {
      // optimize internal component instantiation
      // since dynamic options merging is pretty slow, and none of the
      // internal component options needs special treatment.
      initInternalComponent(vm, options)
    } else {
      // 将传入的这些options选项挂载到vm.$options属性上
      vm.$options = mergeOptions(
        // components/filter/directive
        resolveConstructorOptions(vm.constructor),
        // this._init()传入的options
        options || {},
        vm
      )
    }
    /* istanbul ignore else */
    if (process.env.NODE_ENV !== "production") {
      initProxy(vm)
    } else {
      vm._renderProxy = vm
    }
    // expose real self
    vm._self = vm     // 自身的实例
    // 接下来所有的操作都是在这个实例上添加方法
    initLifecycle(vm)  // lifecycle初始化
    initEvents(vm)     // events初始化 vm._events, 主要是提供vm实例上的$on/$emit/$off/$off等方法
    initRender(vm)     // 初始化渲染函数,在vm上绑定$createElement方法
    callHook(vm, "beforeCreate")  // 钩子函数的执行, beforeCreate
    initInjections(vm) // resolve injections before data/props
    initState(vm)      // Observe data添加对data的监听, 将data转化为getters/setters
    initProvide(vm) // resolve provide after data/props
    callHook(vm, "created") // 钩子函数的执行, created

    // vm挂载的根元素
    if (vm.$options.el) {
      vm.$mount(vm.$options.el)
    }
  }

其中在this._init()方法中调用initState(vm),完成对vm这个实例的数据的监听,也是本文所要展开说的具体内容。

export function initState (vm: Component) {
  // 首先在vm上初始化一个_watchers数组，缓存这个vm上的所有watcher
  vm._watchers = []
  // 获取options,包括在new Vue传入的，同时还包括了Vue所继承的options
  const opts = vm.$options
  // 初始化props属性
  if (opts.props) initProps(vm, opts.props)
  // 初始化methods属性
  if (opts.methods) initMethods(vm, opts.methods)
  // 初始化data属性
  if (opts.data) {
    initData(vm)
  } else {
    observe(vm._data = {}, true /* asRootData */)
  }
  // 初始化computed属性
  if (opts.computed) initComputed(vm, opts.computed)
  // 初始化watch属性
  if (opts.watch) initWatch(vm, opts.watch)
}

我们在实例化app的时候，在构造函数里面传入的options中有props属性：

    props: {
      a: {
        type: Object,
        default () {
          return {
            key1: "a",
            key2: {
                a: "b"
            }
          }
        }
      }
    }

function initProps (vm: Component, propsOptions: Object) {
  // propsData主要是为了方便测试使用
  const propsData = vm.$options.propsData || {}
  // 新建vm._props对象，可以通过app实例去访问
  const props = vm._props = {}
  // cache prop keys so that future props updates can iterate using Array
  // instead of dynamic object key enumeration.
  // 缓存的prop key
  const keys = vm.$options._propKeys = []
  const isRoot = !vm.$parent
  // root instance props should be converted
  observerState.shouldConvert = isRoot
  for (const key in propsOptions) {
    // this._init传入的options中的props属性
    keys.push(key)
    // 注意这个validateProp方法，不仅完成了prop属性类型验证的，同时将prop的值都转化为了getter/setter,并返回一个observer
    const value = validateProp(key, propsOptions, propsData, vm)
   
    // 将这个key对应的值转化为getter/setter
      defineReactive(props, key, value)
    // static props are already proxied on the component"s prototype
    // during Vue.extend(). We only need to proxy props defined at
    // instantiation here.
    // 如果在vm这个实例上没有key属性，那么就通过proxy转化为proxyGetter/proxySetter, 并挂载到vm实例上，可以通过app._props[key]这种形式去访问
    if (!(key in vm)) {
      proxy(vm, `_props`, key)
    }
  }
  observerState.shouldConvert = true
}

接下来看下validateProp(key, propsOptions, propsData, vm)方法内部到底发生了什么。

export function validateProp (
  key: string,
  propOptions: Object,    // $options.props属性
  propsData: Object,      // $options.propsData属性
  vm?: Component
): any {
  const prop = propOptions[key]
  // 如果在propsData测试props上没有缓存的key
  const absent = !hasOwn(propsData, key)
  let value = propsData[key]
  // 处理boolean类型的数据
  // handle boolean props
  if (isType(Boolean, prop.type)) {
    if (absent && !hasOwn(prop, "default")) {
      value = false
    } else if (!isType(String, prop.type) && (value === "" || value === hyphenate(key))) {
      value = true
    }
  }
  // check default value
  if (value === undefined) {
    // default属性值，是基本类型还是function
    // getPropsDefaultValue见下面第一段代码
    value = getPropDefaultValue(vm, prop, key)
    // since the default value is a fresh copy,
    // make sure to observe it.
    const prevShouldConvert = observerState.shouldConvert
    observerState.shouldConvert = true
    // 将value的所有属性转化为getter/setter形式
    // 并添加value的依赖
    // observe方法的分析见下面第二段代码
    observe(value)
    observerState.shouldConvert = prevShouldConvert
  }
  if (process.env.NODE_ENV !== "production") {
    assertProp(prop, key, value, vm, absent)
  }
  return value
}

// 获取prop的默认值
function getPropDefaultValue (vm: ?Component, prop: PropOptions, key: string): any {
  // no default, return undefined
  // 如果没有default属性的话，那么就返回undefined
  if (!hasOwn(prop, "default")) {
    return undefined
  }
  const def = prop.default
  // the raw prop value was also undefined from previous render,
  // return previous default value to avoid unnecessary watcher trigger
  if (vm && vm.$options.propsData &&
    vm.$options.propsData[key] === undefined &&
    vm._props[key] !== undefined) {
    return vm._props[key]
  }
  // call factory function for non-Function types
  // a value is Function if its prototype is function even across different execution context
  // 如果是function 则调用def.call(vm)
  // 否则就返回default属性对应的值
  return typeof def === "function" && getType(prop.type) !== "Function"
    ? def.call(vm)
    : def
}

Vue提供了一个observe方法,在其内部实例化了一个Observer类，并返回Observer的实例。每一个Observer实例对应记录了props中这个的default value的所有依赖(仅限object类型)，这个Observer实际上就是一个观察者，它维护了一个数组this.subs = []用以收集相关的subs(订阅者)(即这个观察者的依赖)。通过将default value转化为getter/setter形式，同时添加一个自定义__ob__属性，这个属性就对应Observer实例。

说起来有点绕，还是让我们看看我们给的demo里传入的options配置:

    props: {
      a: {
        type: Object,
        default () {
          return {
            key1: "a",
            key2: {
                a: "b"
            }
          }
        }
      }
    }

在往上数的第二段代码里面的方法obervse(value)，即对{key1: "a", key2: {a: "b"}}进行依赖的管理，同时将这个obj所有的属性值都转化为getter/setter形式。此外，Vue还会将props属性都代理到vm实例上，通过vm.key1,vm.key2就可以访问到这个属性。

此外，还需要了解下在Vue中管理依赖的一个非常重要的类: Dep

export default class Dep { 
  constructor () {
    this.id = uid++
    this.subs = []
  }
  addSub () {...}  // 添加订阅者(依赖)
  removeSub () {...}  // 删除订阅者(依赖)
  depend () {...}  // 检查当前Dep.target是否存在以及判断这个watcher已经被添加到了相应的依赖当中，如果没有则添加订阅者(依赖)，如果已经被添加了那么就不做处理
  notify () {...}  // 通知订阅者(依赖)更新
}

在Vue的整个生命周期当中，你所定义的响应式的数据上都会绑定一个Dep实例去管理其依赖。它实际上就是观察者和订阅者联系的一个桥梁。

刚才谈到了对于依赖的管理，它的核心之一就是观察者Observer这个类：

export class Observer {
  value: any;
  dep: Dep;
  vmCount: number; // number of vms that has this object as root $data

  constructor (value: any) {
    this.value = value
    // dep记录了和这个value值的相关依赖
    this.dep = new Dep()
    this.vmCount = 0
    // value其实就是vm._data, 即在vm._data上添加__ob__属性
    def(value, "__ob__", this)
    // 如果是数组
    if (Array.isArray(value)) {
      // 首先判断是否能使用__proto__属性
      const augment = hasProto
        ? protoAugment
        : copyAugment
      augment(value, arrayMethods, arrayKeys)
      // 遍历数组，并将obj类型的属性改为getter/setter实现
      this.observeArray(value)
    } else {
      // 遍历obj上的属性，将每个属性改为getter/setter实现
      this.walk(value)
    }
  }

  /**
   * Walk through each property and convert them into
   * getter/setters. This method should only be called when
   * value type is Object.
   */
  // 将每个property对应的属性都转化为getter/setters,只能是当这个value的类型为Object时
  walk (obj: Object) {
    const keys = Object.keys(obj)
    for (let i = 0; i < keys.length; i++) {
      defineReactive(obj, keys[i], obj[keys[i]])
    }
  }

  /**
   * Observe a list of Array items.
   */
  // 监听array中的item
  observeArray (items: Array) {
    for (let i = 0, l = items.length; i < l; i++) {
      observe(items[i])
    }
  }
}

walk方法里面调用defineReactive方法：通过遍历这个object的key，并将对应的value转化为getter/setter形式，通过闭包维护一个dep，在getter方法当中定义了这个key是如何进行依赖的收集，在setter方法中定义了当这个key对应的值改变后，如何完成相关依赖数据的更新。但是从源码当中，我们却发现当getter函数被调用的时候并非就一定会完成依赖的收集，其中还有一层判断，就是Dep.target是否存在。

/**
 * Define a reactive property on an Object.
 */
export function defineReactive (
  obj: Object,
  key: string,
  val: any,
  customSetter?: Function
) {
  // 每个属性新建一个dep实例，管理这个属性的依赖
  const dep = new Dep()
    
  // 或者属性描述符
  const property = Object.getOwnPropertyDescriptor(obj, key)
  // 如果这个属性是不可配的，即无法更改
  if (property && property.configurable === false) {
    return
  }

  // cater for pre-defined getter/setters
  const getter = property && property.get
  const setter = property && property.set

  // 递归去将val转化为getter/setter
  // childOb将子属性也转化为Observer
  let childOb = observe(val)
  Object.defineProperty(obj, key, {
    enumerable: true,
    configurable: true,
    // 定义getter -->> reactiveGetter
    get: function reactiveGetter () {
      const value = getter ? getter.call(obj) : val
      // 定义相应的依赖
      if (Dep.target) {
        // Dep.target.addDep(this)
        // 即添加watch函数
        // dep.depend()及调用了dep.addSub()只不过中间需要判断是否这个id的dep已经被包含在内了
        dep.depend()
        // childOb也添加依赖
        if (childOb) {
          childOb.dep.depend()
        }
        if (Array.isArray(value)) {
          dependArray(value)
        }
      }
      return value
    },
    // 定义setter -->> reactiveSetter
    set: function reactiveSetter (newVal) {
      const value = getter ? getter.call(obj) : val
      /* eslint-disable no-self-compare */
      if (newVal === value || (newVal !== newVal && value !== value)) {
        return
      }
      if (setter) {
        setter.call(obj, newVal)
      } else {
        val = newVal
      }
      // 对得到的新值进行observe
      childOb = observe(newVal)
      // 相应的依赖进行更新
      dep.notify()
    }
  })
}

在上文中提到了Dep类是链接观察者和订阅者的桥梁。同时在Dep的实现当中还有一个非常重要的属性就是Dep.target，它事实就上就是一个订阅者，只有当Dep.target(订阅者)存在的时候，调用属性的getter函数的时候才能完成依赖的收集工作。

Dep.target = null
const targetStack = []

export function pushTarget (_target: Watcher) {
  if (Dep.target) targetStack.push(Dep.target)
  Dep.target = _target
}

export function popTarget () {
  Dep.target = targetStack.pop()
}

那么Vue是如何来实现订阅者的呢？Vue里面定义了一个类: Watcher，在Vue的整个生命周期当中，会有4类地方会实例化Watcher：

Vue实例化的过程中有watch选项

Vue实例化的过程中有computed计算属性选项

Vue原型上有挂载$watch方法: Vue.prototype.$watch，可以直接通过实例调用this.$watch方法

Vue生成了render函数，更新视图时

constructor (
    vm: Component,
    expOrFn: string | Function,
    cb: Function,
    options?: Object
  ) {
    // 缓存这个实例vm
    this.vm = vm
    // vm实例中的_watchers中添加这个watcher
    vm._watchers.push(this)
    // options
    if (options) {
      this.deep = !!options.deep
      this.user = !!options.user
      this.lazy = !!options.lazy
      this.sync = !!options.sync
    } else {
      this.deep = this.user = this.lazy = this.sync = false
    }
    this.cb = cb
    this.id = ++uid // uid for batching
    this.active = true
    this.dirty = this.lazy // for lazy watchers
    ....
    // parse expression for getter
    if (typeof expOrFn === "function") {
      this.getter = expOrFn
    } else {
      this.getter = parsePath(expOrFn)
      if (!this.getter) {
        this.getter = function () {}
      }
    }
    // 通过get方法去获取最新的值
    // 如果lazy为true, 初始化的时候为undefined
    this.value = this.lazy
      ? undefined
      : this.get()
  }
  get () {...}
  addDep () {...}
  update () {...}
  run () {...}
  evaluate () {...}
  run () {...}

Watcher接收的参数当中expOrFn定义了用以获取watcher的getter函数。expOrFn可以有2种类型：string或function.若为string类型，首先会通过parsePath方法去对string进行分割(仅支持.号形式的对象访问)。在除了computed选项外，其他几种实例化watcher的方式都是在实例化过程中完成求值及依赖的收集工作：this.value = this.lazy ? undefined : this.get().在Watcher的get方法中:

!!!前方高能

get () {
 // pushTarget即设置当前的需要被执行的watcher
    pushTarget(this)
    let value
    const vm = this.vm
    if (this.user) {
      try {
        // $watch(function () {})
        // 调用this.getter的时候，触发了属性的getter函数
        // 在getter中进行了依赖的管理
        value = this.getter.call(vm, vm)
        console.log(value)
      } catch (e) {
        handleError(e, vm, `getter for watcher "${this.expression}"`)
      }
    } else {
      // 如果是新建模板函数，则会动态计算模板与data中绑定的变量，这个时候就调用了getter函数，那么就完成了dep的收集
      // 调用getter函数，则同时会调用函数内部的getter的函数，进行dep收集工作
      value = this.getter.call(vm, vm)
    }
    // "touch" every property so they are all tracked as
    // dependencies for deep watching
    // 让每个属性都被作为dependencies而tracked, 这样是为了deep watching
    if (this.deep) {
      traverse(value)
    }
    popTarget()
    this.cleanupDeps()
    return value    
}

一进入get方法，首先进行pushTarget(this)的操作，此时Vue当中Dep.target = 当前这个watcher,接下来进行value = this.getter.call(vm, vm)操作，在这个操作中就完成了依赖的收集工作。还是拿文章一开始的demo来说，在vue实例化的时候传入了watch选项：

    props: {
      a: {
        type: Object,
        default () {
          return {
            key1: "a",
            key2: {
                a: "b"
            }
          }
        }
      }
    },
   watch: {
        a (newVal, oldVal) {
            console.log(newVal, oldVal)
        }
    }, 

在Vue的initState()开始执行后，首先会初始化props的属性为getter/setter函数，然后在进行initWatch初始化的时候，这个时候初始化watcher实例，并调用get()方法，设置Dep.target = 当前这个watcher实例，进而到value = this.getter.call(vm, vm)的操作。在调用this.getter.call(vm, vm)的方法中，便会访问props选项中的a属性即其getter函数。在a属性的getter函数执行过程中，因为Dep.target已经存在，那么就进入了依赖收集的过程:

if (Dep.target) {
    // Dep.target.addDep(this)
    // 即添加watch函数
    // dep.depend()及调用了dep.addSub()只不过中间需要判断是否这个id的dep已经被包含在内了
    dep.depend()
    // childOb也添加依赖
    if (childOb) {
      childOb.dep.depend()
    }
    if (Array.isArray(value)) {
      dependArray(value)
    }
  }

dep是一开始初始化的过程中，这个属性上的dep属性。调用dep.depend()函数：

  depend () {
    if (Dep.target) {
      // Dep.target为一个watcher
      Dep.target.addDep(this)
    }
  }

Dep.target也就刚才的那个watcher实例，这里也就相当于调用了watcher实例的addDep方法: watcher.addDep(this)，并将dep观察者传入。在addDep方法中完成依赖收集:

addDep (dep: Dep) {
    const id = dep.id
    if (!this.newDepIds.has(id)) {
      this.newDepIds.add(id)
      this.newDeps.push(dep)
      if (!this.depIds.has(id)) {
        dep.addSub(this)
      }
    }
  }

这个时候依赖完成了收集，当你去修改a属性的值时，会调用a属性的setter函数，里面会执行dep.notify()，它会遍历所有的订阅者，然后调用订阅者上的update函数。

initData过程和initProps类似，具体可参见源码。

以上就是在initProps过程中Vue是如何进行依赖收集的，initData的过程和initProps类似，下来再来看看initComputed的过程.
在computed属性初始化的过程当中，会为每个属性实例化一个watcher:

const computedWatcherOptions = { lazy: true }

function initComputed (vm: Component, computed: Object) {
  // 新建_computedWatchers属性
  const watchers = vm._computedWatchers = Object.create(null)

  for (const key in computed) {
    const userDef = computed[key]
    // 如果computed为funtion，即取这个function为getter函数
    // 如果computed为非function.则可以多带带为这个属性定义getter/setter属性
    let getter = typeof userDef === "function" ? userDef : userDef.get
    // create internal watcher for the computed property.
    // lazy属性为true
    // 注意这个地方传入的getter参数
    // 实例化的过程当中不去完成依赖的收集工作
    watchers[key] = new Watcher(vm, getter, noop, computedWatcherOptions)

    // component-defined computed properties are already defined on the
    // component prototype. We only need to define computed properties defined
    // at instantiation here.
    if (!(key in vm)) {
      defineComputed(vm, key, userDef)
    } 
  }
}

但是这个watcher在实例化的过程中，由于传入了{lazy: true}的配置选项，那么一开始是不会进行求值与依赖收集的: this.value = this.lazy ? undefined : this.get().在initComputed的过程中，Vue会将computed属性定义到vm实例上，同时将这个属性定义为getter/setter。当你访问computed属性的时候调用getter函数：

function createComputedGetter (key) {
  return function computedGetter () {
    const watcher = this._computedWatchers && this._computedWatchers[key]
    if (watcher) {
      // 是否需要重新计算
      if (watcher.dirty) {
        watcher.evaluate()
      }
      // 管理依赖
      if (Dep.target) {
        watcher.depend()
      }
      return watcher.value
    }
  }
}

在watcher存在的情况下，首先判断watcher.dirty属性，这个属性主要是用于判断这个computed属性是否需要重新求值，因为在上一轮的依赖收集的过程当中，观察者已经将这个watcher添加到依赖数组当中了，如果观察者发生了变化，就会dep.notify()，通知所有的watcher，而对于computed的watcher接收到变化的请求后，会将watcher.dirty = true即表明观察者发生了变化，当再次调用computed属性的getter函数的时候便会重新计算，否则还是使用之前缓存的值。

initWatch的过程中其实就是实例化new Watcher完成观察者的依赖收集的过程，在内部的实现当中是调用了原型上的Vue.prototype.$watch方法。这个方法也适用于vm实例，即在vm实例内部调用this.$watch方法去实例化watcher，完成依赖的收集，同时监听expOrFn的变化。

总结：

以上就是在Vue实例初始化的过程中实现依赖管理的分析。大致的总结下就是：

initState的过程中，将props,computed,data等属性通过Object.defineProperty来改造其getter/setter属性，并为每一个响应式属性实例化一个observer观察者。这个observer内部dep记录了这个响应式属性的所有依赖。

当响应式属性调用setter函数时，通过dep.notify()方法去遍历所有的依赖，调用watcher.update()去完成数据的动态响应。

这篇文章主要从初始化的数据层面上分析了Vue是如何管理依赖来到达数据的动态响应。下一篇文章来分析下Vue中模板中的指令和响应式数据是如何关联来实现由数据驱动视图，以及数据是如何响应视图变化的。