Vue3 响应式系统的实现原理

描述：Vue3 的响应式系统是其核心特性之一，能够自动追踪数据变化并更新相关视图。与 Vue2 基于 Object.defineProperty 的实现不同，Vue3 使用了 ES6 的 Proxy 和 Reflect API 来构建响应式系统。理解其原理是掌握 Vue3 框架的关键。

解题过程：

1. 核心目标与基本思路

   • 目标：当数据（一个 JavaScript 对象）的属性被读取时，我们要记录下“谁”读取了它（这个过程称为依赖收集）。当数据的属性被修改时，我们要通知所有“读取过”它的地方进行更新（这个过程称为触发更新）。
   • 思路：Vue3 使用 Proxy 来“代理”一个普通对象。Proxy 可以拦截（或称为“捕获”）对目标对象的各种基本操作，例如获取属性（get）、设置属性（set）、删除属性（deleteProperty）等。这样，我们就能够在这些操作发生时执行自定义的逻辑，从而实现依赖收集和触发更新。

2. 关键角色：effect 与 reactive

   • reactive 函数：这是 Vue3 中用于创建响应式对象的函数。它接收一个普通对象作为参数，并返回该对象的 Proxy 代理。
   • effect 函数：这是响应式系统的“副作用”函数。它接收一个函数（我们称之为 fn）作为参数。effect 会立即执行一次 fn。关键在于，当 fn 在执行过程中读取了某个响应式对象的属性时，Vue 就能建立起 fn（副作用）和这个属性（依赖）之间的联系。

3. 逐步实现原理

   • 步骤一：创建最简单的 reactive 函数
     首先，我们创建一个能返回 Proxy 代理的函数。这个代理暂时只拦截 get 和 set 操作。

     function reactive(target) {
       return new Proxy(target, {
         get(obj, key) {
           // 拦截“读取”操作
           console.log(`读取了属性 ${key}: ${obj[key]}`);
           return obj[key]; // 返回原始值
         },
         set(obj, key, value) {
           // 拦截“设置”操作
           console.log(`修改了属性 ${key}: 从 ${obj[key]} 变为 ${value}`);
           obj[key] = value; // 设置原始值
           return true; // 表示设置成功
         }
       });
     }
     
     // 测试
     const state = reactive({ count: 0 });
     state.count; // 控制台输出: "读取了属性 count: 0"
     state.count = 1; // 控制台输出: "修改了属性 count: 从 0 变为 1"
     

     现在我们已经可以拦截对对象的基本操作了。

   • 步骤二：引入 effect 和依赖收集（核心）
     现在我们需要一个机制来记录“哪个 effect 正在运行”，以及“哪些 effect 依赖于哪个响应式对象的哪个属性”。

     • activeEffect 全局变量：用于存储当前正在执行的 effect 函数。
     • targetMap 全局 WeakMap：用于建立依赖关系树。
       • 键（Key）：响应式对象（target）。
       • 值（Value）：一个 Map。
         • 这个 Map 的键是响应式对象的属性名（key）。
         • 值是一个 Set，里面存储了所有依赖于这个 target.key 的 effect 函数。

     let activeEffect = null; // 当前活跃的 effect
     const targetMap = new WeakMap(); // 依赖存储仓库
     
     function track(target, key) {
       // 依赖收集函数，在 get 拦截器内调用
       if (!activeEffect) return; // 如果不在 effect 内读取，则不需要收集
     
       // 1. 从 targetMap 中获取当前 target 对应的 depsMap
       let depsMap = targetMap.get(target);
       if (!depsMap) {
         depsMap = new Map();
         targetMap.set(target, depsMap);
       }
     
       // 2. 从 depsMap 中获取当前 key 对应的 dep（一个 Set）
       let dep = depsMap.get(key);
       if (!dep) {
         dep = new Set();
         depsMap.set(key, dep);
       }
     
       // 3. 将当前活跃的 effect 添加到 dep 中
       dep.add(activeEffect);
       console.log(`跟踪依赖: ${key} -> 当前effect`);
     }
     
     function trigger(target, key) {
       // 触发更新函数，在 set 拦截器内调用
       const depsMap = targetMap.get(target);
       if (!depsMap) return;
     
       const dep = depsMap.get(key);
       if (dep) {
         // 遍历 dep 集合，执行其中所有的 effect 函数
         dep.forEach(effect => effect());
         console.log(`触发更新: ${key}`);
       }
     }
     
     function effect(fn) {
       // 将传入的函数包装成一个 effect
       activeEffect = fn; // 设置当前活跃的 effect
       fn(); // 立即执行一次函数，执行过程中会触发 get，从而进行依赖收集
       activeEffect = null; // 执行完毕后重置
     }
     
     // 更新 reactive 函数
     function reactive(target) {
       return new Proxy(target, {
         get(obj, key) {
           track(obj, key); // 读取时，收集依赖
           return obj[key];
         },
         set(obj, key, value) {
           obj[key] = value;
           trigger(obj, key); // 设置时，触发更新
           return true;
         }
       });
     }
     

   • 步骤三：完整流程演示
     让我们用一个完整的例子来串联整个流程。

     // 创建响应式对象
     const user = reactive({ name: 'Alice', age: 25 });
     
     // 定义一个 effect
     effect(() => {
       // 这个函数会立即执行
       console.log(`用户名是: ${user.name}`);
     });
     // 控制台立即输出: "用户名是: Alice"
     // 同时，在 effect 执行过程中，读取了 user.name，
     // 触发了 get 拦截器，track 函数被调用。
     // 此时，targetMap 中建立了如下依赖关系：
     // targetMap: { user -> depsMap }
     // depsMap: { 'name' -> Set( [当前这个effect函数] ) }
     
     // 修改数据，触发更新
     user.name = 'Bob';
     // 1. 触发 set 拦截器
     // 2. 调用 trigger(user, 'name')
     // 3. trigger 从 targetMap 中找到 user.name 对应的 dep（一个 Set）
     // 4. 遍历这个 Set，执行里面所有的 effect 函数
     // 5. 控制台再次输出: "用户名是: Bob"
     

4. Vue3 的实际实现与优化
   以上是最核心的原理。Vue3 源码中的实现（在 @vue/reactivity 包中）更加复杂和健壮，主要做了以下优化：

   • 嵌套的 effect：支持组件嵌套，通过一个 effect 栈来管理。
   • 调度器（Scheduler）：允许控制 trigger 触发后的执行时机，例如放入微任务队列中实现批量异步更新，这是 nextTick 原理的基础。
   • 避免重复收集：确保同一个 effect 不会在同一个属性的 dep 中被重复收集。
   • 分支切换的清理：例如在 v-if 中，当条件变化时，需要清理掉不再需要的依赖。
   • Ref & Computed：基于同样的响应式核心，ref 用 .value 属性解决了基本类型的响应式问题，computed 是一个特殊的 effect，具有懒计算和缓存值的特性。

总结：Vue3 的响应式系统通过 Proxy 代理对象，在 get 操作时调用 track 进行依赖收集，在 set 操作时调用 trigger 触发更新。effect 函数是建立响应式数据与副作用函数之间桥梁的关键。整个系统围绕一个全局的 targetMap（WeakMap）来维护所有的依赖关系。