Vue3响应式系统源码剖析：Proxy与WeakMap内存管理

开场白

大家好，欢迎来到今天的讲座！今天我们来聊聊Vue3的响应式系统。如果你曾经用过Vue2，你可能会对Object.defineProperty有所了解。但在Vue3中，我们告别了它，迎来了更强大的Proxy和WeakMap。这不仅让代码更加简洁，还提升了性能。那么，Proxy和WeakMap是如何协同工作的？它们又是如何管理内存的呢？让我们一起来揭开这个神秘的面纱吧！

什么是Proxy？

在JavaScript中，Proxy是一种特殊的对象，它可以拦截并自定义基本操作（如属性访问、赋值等）。简单来说，Proxy就像是一个“中间人”，它可以在你访问或修改对象时插入一些额外的逻辑。

const target = { name: 'Qwen' };
const handler = {
  get(target, key) {
    console.log(`Getting ${key}`);
    return target[key];
  },
  set(target, key, value) {
    console.log(`Setting ${key} to ${value}`);
    target[key] = value;
  }
};

const proxy = new Proxy(target, handler);

console.log(proxy.name); // 输出: Getting name
proxy.age = 25;          // 输出: Setting age to 25

Vue3中的Proxy

在Vue3中，Proxy被用来创建响应式对象。当你访问或修改一个响应式对象的属性时，Vue会通过Proxy拦截这些操作，并触发相应的副作用（如更新DOM）。这样，Vue就可以自动追踪依赖关系，并在数据变化时高效地更新视图。

import { reactive } from 'vue';

const state = reactive({
  count: 0
});

state.count++; // 触发响应式更新

Proxy的优势

全面支持嵌套对象：Proxy可以递归地处理嵌套对象，而Object.defineProperty只能监听对象的第一层属性。
更好的性能：Proxy的实现更加底层，减少了不必要的性能开销。
更灵活的操作拦截：Proxy不仅可以拦截属性的读写操作，还可以拦截其他操作（如in、delete等）。

什么是WeakMap？

WeakMap是JavaScript中的一种特殊映射表，它的键必须是对象，且这些对象不会被强引用。换句话说，WeakMap中的对象可以在没有其他引用的情况下被垃圾回收器回收。这使得WeakMap非常适合用于存储临时数据或缓存，而不会导致内存泄漏。

const wm = new WeakMap();

const obj1 = {};
wm.set(obj1, 'value1');

console.log(wm.get(obj1)); // 输出: value1

obj1 = null; // 解除对obj1的引用
// 当下一次垃圾回收时，obj1 会被回收，WeakMap 中的条目也会被自动清除

Vue3中的WeakMap

在Vue3的响应式系统中，WeakMap被用来存储依赖关系。具体来说，Vue会为每个响应式对象创建一个WeakMap，并在其中记录该对象的依赖项（即哪些函数依赖于该对象的属性）。当对象的属性发生变化时，Vue会根据WeakMap中的记录，通知相关的依赖项重新执行。

import { reactive, effect } from 'vue';

const state = reactive({
  count: 0
});

effect(() => {
  console.log(state.count); // 这个函数依赖于 state.count
});

state.count++; // 触发依赖项重新执行，输出: 1

WeakMap的优势

避免内存泄漏：由于WeakMap的键是弱引用的，因此当某个响应式对象不再被使用时，它所关联的依赖关系也会自动被清除，从而避免了内存泄漏。
高效的依赖追踪：WeakMap的查找和删除操作都非常高效，适合用于频繁变化的依赖关系管理。

Proxy与WeakMap的协同工作

在Vue3中，Proxy和WeakMap相辅相成，共同构成了响应式系统的基石。我们可以用一张表格来总结它们的分工：

功能模块	负责的任务
Proxy	拦截对响应式对象的读写操作，触发依赖收集和更新
WeakMap	存储响应式对象的依赖关系，确保依赖项能够及时更新

依赖收集的过程

创建响应式对象：当我们使用reactive创建一个响应式对象时，Vue会为其生成一个Proxy实例，并为其分配一个WeakMap来存储依赖关系。
触发依赖收集：当我们在effect或其他响应式函数中访问响应式对象的属性时，Vue会通过Proxy拦截这次访问，并将当前的副作用函数记录到WeakMap中。
触发更新：当响应式对象的属性发生变化时，Vue会通过Proxy拦截这次修改，并根据WeakMap中的记录，通知所有依赖于该属性的副作用函数重新执行。

内存管理的优化

自动清理依赖：由于WeakMap的键是弱引用的，因此当某个响应式对象不再被使用时，它所关联的依赖关系也会自动被清除。这避免了传统依赖追踪机制中常见的内存泄漏问题。
减少不必要的跟踪：Proxy只会在实际访问或修改属性时触发依赖收集，而不是像Object.defineProperty那样需要提前为每个属性设置getter和setter。这不仅减少了内存占用，还提高了性能。

实战演练：手动实现一个简易的响应式系统

为了更好地理解Proxy和WeakMap的工作原理，我们可以通过一段代码来手动实现一个简易的响应式系统。虽然这个实现远不如Vue3复杂，但它可以帮助我们掌握核心概念。

class ReactiveSystem {
  constructor() {
    this.tracking = false;
    this.activeEffect = null;
    this.targetMap = new WeakMap(); // 用于存储依赖关系
  }

  track(target, key) {
    if (!this.tracking || !this.activeEffect) return;

    let depsMap = this.targetMap.get(target);
    if (!depsMap) {
      depsMap = new Map();
      this.targetMap.set(target, depsMap);
    }

    let dep = depsMap.get(key);
    if (!dep) {
      dep = new Set();
      depsMap.set(key, dep);
    }

    dep.add(this.activeEffect);
  }

  trigger(target, key) {
    const depsMap = this.targetMap.get(target);
    if (!depsMap) return;

    const dep = depsMap.get(key);
    if (dep) {
      dep.forEach(effect => effect());
    }
  }

  reactive(obj) {
    return new Proxy(obj, {
      get(target, key, receiver) {
        this.track(target, key);
        return Reflect.get(target, key, receiver);
      },
      set(target, key, value, receiver) {
        const result = Reflect.set(target, key, value, receiver);
        this.trigger(target, key);
        return result;
      }
    });
  }

  effect(fn) {
    const _effect = () => {
      this.tracking = true;
      this.activeEffect = _effect;
      fn();
      this.tracking = false;
      this.activeEffect = null;
    };

    _effect();
  }
}

// 使用示例
const rs = new ReactiveSystem();

const state = rs.reactive({
  count: 0
});

rs.effect(() => {
  console.log(state.count); // 这个函数依赖于 state.count
});

state.count++; // 触发依赖项重新执行，输出: 1

代码解析

ReactiveSystem类：我们定义了一个ReactiveSystem类，它包含了track、trigger、reactive和effect四个主要方法。targetMap是一个WeakMap，用于存储响应式对象的依赖关系。
track方法：当访问响应式对象的属性时，track方法会将当前的副作用函数记录到WeakMap中。
trigger方法：当修改响应式对象的属性时，trigger方法会根据WeakMap中的记录，通知所有依赖于该属性的副作用函数重新执行。
reactive方法：reactive方法使用Proxy拦截对响应式对象的读写操作，并在适当的时候调用track和trigger。
effect方法：effect方法用于创建一个副作用函数，并将其注册为当前的活跃效应。当响应式对象的属性发生变化时，副作用函数会自动重新执行。

总结

通过今天的讲座，我们深入了解了Vue3的响应式系统是如何利用Proxy和WeakMap来实现高效的数据绑定和依赖追踪的。Proxy负责拦截对响应式对象的操作，而WeakMap则负责存储依赖关系并确保内存的自动清理。这种设计不仅提高了性能，还避免了内存泄漏的问题。

希望今天的分享对你有所帮助！如果你有任何问题或想法，欢迎在评论区留言讨论。谢谢大家！