Angular变化检测机制：改善的脏检查

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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`
}

从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：onPush。onPush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

而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： Default和onPush
  • 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！