Angular变化检测机制:改善的脏检查

前端展示的页面是由视图和数据共同构成的,视图模板定义了页面的框架,而数据定义了页面具体的显示内容。而数据发生变化的时候,我们需要及时将变化的内容更新到视图中,否则用户看到的数据就是不正确的。系统及时感知到数据模型的变化,然后通过计算更新到视图中,这是每个前端框架都需要解决的问题。这前一半部分就是所谓的变化检测。

数据何时变化

接下来的问题是,数据何时变化,哪些因素会引起数据变化?在数据双向绑定的分析和简单实现中曾经分析过,主要有如下几种情况可能也改变数据:

  • 用户输入操作,比如点击,提交等
  • 请求服务端数据
  • 定时事件,比如setTimeout,setInterval

这几点有一个共同点,就是它们都是异步的。也就是说,所有的异步操作是可能导致数据变化的根源因素。

如何通知变化

那么,在Angular中是谁来通知数据即将变化的呢?在AngularJS中是由代码$scope.$apply()或者$scope.$digest触发,而Angular接入了ZoneJS,由它监听了Angular所有的异步事件。ZoneJS是怎么做到的呢?其实它重写了所有的异步api(所谓的猴子补丁Monkey patch)!ZoneJS会通知Angular可能有数据发生变化,需要检测更新。

变化检测原理

Angular得到需要重新检查数据模型,更新视图的通知后,是怎么执行变化检测的呢?答案是,脏检查。考虑到还没听说过脏检查的同学,这里解释一下,脏检查其实就是存储所有变量的值,每当可能有变量发生变化需要检查时,就将所有变量的旧值跟新值进行比较,不相等就说明检测到变化,需要更新对应视图。

改善的脏检查

接触过AngularJS的同学肯定知道,它使用的变化检测机制也是脏检查。那么,同是脏检查的背后,有何不同呢?为何Angular自称变化检测的性能比起AngularJS提升了很多?

Angular的核心是组件化,组件的嵌套会使得最终形成一棵组件树。Angular的变化检测可以分组件进行,每个组件都有对应的变化检测器ChangeDetector。可想而知,这些变化检测器也会构成一棵树。

另外,Angular的数据流是自顶而下,从父组件到子组件单向流动。单向数据流向保证了高效、可预测的变化检测。尽管检查了父组件之后,子组件可能会改变父组件的数据使得父组件需要再次被检查,这是不被推荐的数据处理方式。在开发模式下,Angular会进行二次检查,如果出现上述情况,二次检查就会报错:ExpressionChangedAfterItHasBeenCheckedError(关于这个问题的答案,可以在参考资料中找到)。而在生产环境中,脏检查只会执行一次。

相比之下,AngularJS采用的是双向数据流,错综复杂的数据流使得它不得不多次检查,使得数据最终趋向稳定。理论上,数据可能永远不稳定。AngularJS给出的策略是,脏检查超过10次,就认为程序有问题,不再进行检查。这个10,我不知道它的给出依据是什么,也许是个经验值吧。

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变化检测策略onPush

Angular还让开发者拥有定制变化检测策略的能力。

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export enum ChangeDetectionStrategy {
OnPush, // 表示变化检测对象的状态为`CheckOnce`
Default, // 表示变化检测对象的状态为`CheckAlways`
}

ChangeDetectionStrategy可以看到,Angular有两种变化检测策略。Default是Angular默认的变化检测策略,也就是上述提到的脏检查(只要有值发生变化,就全部检查)。开发者可以根据场景来设置更加高效的变化检测方式:onPushonPush策略,就是只有当输入数据的引用发生变化或者有事件触发时,组件才进行变化检测。

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@Component({
template: `
<h2>{{vData.name}}</h2>
<span>{{vData.email}}</span>
`,
// 设置该组件的变化检测策略为onPush
changeDetection: ChangeDetectionStrategy.OnPush
})
class VCardCmp {
@Input() vData;
}

比如上面这个例子,当vData的属性值发生变化的时候,这个组件不会发生变化检测,只有当vData重新赋值的时候才会。一般,只接受输入的木偶子组件(dumb components)比较适合采用onPush策略。

那什么时候只要对象的属性值发生变化,整个对象的引用就变了呢?不可变对象(Immutable Object)。当组件中的输入对象是不变量时,可采用onPush变化检测策略,减少变化检测的频率。换个角度来说,为了更加智能地执行变化检测,可以在只接受输入的子组件中采用onPush策略。

变化检测对象引用

Angular不仅可以让开发者设置变化检测的策略,还可以让开发者获取变化检测对象引用ChangeDetectorRef,手动去操作变化检测。变化检测对象引用给开发者提供的方法有以下几种:

  • markForCheck():将检查组件的所有父组件所有子组件,即使设置了变化检测策略为onPush
  • detach():将变化检测对象脱离检测对象树,不再进行变化检查;结合detectChanges可实现局部变化检测
  • detectChanges():将检测该组件及其子组件,结合detach可实现局部检测
  • checkNoChanges(): 检测该组件及其子组件,如果有变化存在则报错,用于开发阶段二次验证变化已经完成
  • reattach():将脱离的变化检测对象重新链接到变化检测树上

那么,如果是Observable的话,它会订阅所有的变量变化,只要在订阅回调函数中手动触发变化检测即可实现最小成本的检测(仍采用onPush变化检测策略)。举个例子:

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@Component({
template: '{{counter}}',
changeDetection: ChangeDetectionStrategy.OnPush
})
class CartBadgeCmp {
@Input() addItemStream:Observable<any>;
counter = 0;
constructor(private cd: ChangeDetectorRef) {}
ngOnInit() {
this.addItemStream.subscribe(() => {
this.counter++; // 数据模型发生变化
this.cd.markForCheck(); // 手动触发检测
})
}
}

另外,当数据模型变化太过频繁,我们可自定义变化检测的时机。举个例子:

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@Component({
template: `{{counter}}
<input type="check" (click)="toggle()">`,
})
class CartBadgeCmp {
counter = 0;
detectEnabled = false;
constructor(private cd: ChangeDetectorRef) {}
ngOnInit() {
// 每10毫秒增加1
setInterval(()=>{this.counter++}, 10);
}
toggle(){
if( this.detectEnabled ){
this.cd.reattach(); // 链接上变化检测树
}
else{
this.cd.detach(); // 脱离变化检测树
}
}
}

一个注意点是,采用onPush策略之后的组件detach()无效,具体可参考这里

疑惑点

在Angular源码中看到变化检测对象有如下几种状态:

  • CheckOnce:表示只检查一次,调用detectChanges之后状态将会变为Checked
  • Checked:表示在状态变为CheckOnce之前会跳过所有检测
  • CheckAlways:表示总是接受变化检测,每次调用detectChanges后状态还是CheckAlways
  • Detached:代表变化检测对象脱离了变化检测对象树,不再进行变化检测
  • Errored:表述变化测试对象发生错误,变化检测实效
  • Destroyed:表示变化检测对象已经被销毁

OnPush策略表示变化检测对象的状态为CheckOnce。那么设置OnPush策略的组件为什么是引用发生变化之后才会执行变化检测的?检测之后状态从CheckOnce变成Checked,然后是如何变成CheckOnce的?

P.S. 尝试阅读Angular变化检测这部分的源代码,实在不知从何下手,网上资料甚少,求阅读源码经验分享。

总结

Angular与AngularJS都采用脏检查的变化检测机制,前者优于后者主要体现在:

  • 单向数据流向
  • 以组件为单位维度独立进行
  • 生产环境只进行一次检查
  • 可自定义的变化检测策略: DefaultonPush
  • 可自定义的变化检测操作:markForcheck()detectChanges()detach()reattach()checkNoChanges()
  • 代码实现上的优化,据说采用了VM friendly的代码(这点我也不太明白,就随便提一下)

参考资料:

本文首发于野草园,不当之处,欢迎批评指正!