Angular 变化检测详解

前言

变化检测是前端框架中很有趣的一部分内容,各个前端的框架也都有自己的一套方案,一般情况下我们不太需要过多的了解变化检测,因为框架已经帮我们完成了大部分的工作。不过随着我们深入的使用框架,我们会发现我们很难避免的要去了解变化检测,了解变化检测可以帮助我们更好的理解框架、排查错误、进行性能优化等等。

什么是变化检测 ?

简单的来说,变化检测就是通过检测视图与状态之间的变化,在状态发生了变化后,帮助我们更新视图,这种将视图和我们的数据同步的机制就叫变化检测。

Angular 变化检测详解_第1张图片

变化检测触发时机

我们了解了什么是变化检测,那何时触发变化检测呢?​我们可以看看下面这两个简单的Demo

Demo1:

一个计数器组件,点击按钮Count会一直加 1

@Component({
  selector: "app-counter",
  template: `
    Count:{{ count }}
    
`, }) export class CounterComponent { count = 0; constructor() {} increase() { this.count = this.count + 1; } }

Demo2:

一个Todo List的组件,通过Http获取数据后渲染到页面


  @Component({
    selector: "app-todos",
    template: ` 
  • {{ item.titme }}
  • `, }) export class TodosComponent implements OnInit { public todos: TodoItem[] = []; constructor(private http: HttpClient) {} ngOnInit() { this.http.get("/api/todos").subscribe((todos: TodoItem[]) => { this.todos = todos; }); } }

    从上面的两个 Demo 中我们发现,在两种情况下触发了变化检测:

    • 点击事件发生时
    • 通过 http 请求远程数据时

    仔细思考下,这两种触发的方式有什么共同点呢? 我们发现这两种方式都是异步操作,所以我们可以得出一个结论: 只要发生了异步操作,Angular 就会认为有状态可能发生变化了,然后就会进行变化检测。

    这个时候可能大家会想到 setTimeoutsetInterval ​ ,是的,它们同样也会触发变化检测。

    @Component({
      selector: "app-counter",
      template: `
        Count:{{ count }}
        
    `, }) export class CounterComponent implements OnInit { count = 0; constructor() {} ngOnInit(){ setTimeout(()=>{ this.count= 10; }); } increase() { this.count = this.count + 1; } }

    简而言之,如果发生以下事件之一,Angular 将触发变化检测:

    • 任何浏览器事件(click、keydown 等)
    • setInterval()  和  setTimeout()
    • HTTP 通过  XMLHttpRequest ​ 进行请求 ​

    Angular 如何订阅异步事件执行变化检测?

    刚才我们了解到,只要发生了异步操作,Angular 就会进行变化检测,那 Angular 又是如何订阅到异步事件的状态,从而触发变化检测的呢?这里我们就要聊一聊 zone.js 了。

    Zone.js

    Zone.js 提供了一种称为 区域(Zone) 的机制,用于封装和拦截浏览器中的异步活动、它还提供 异步生命周期的钩子统一的异步错误处理机制。

    Zone.js 是通过 Monkey Patching(猴子补丁) 的方式来对浏览器中的常见方法和元素进行拦截,例如 setTimeoutHTMLElement.prototype.onclick ​。Angular 在启动时会利用 zone.js 修补几个低级浏览器 API,从而实现异步事件的捕获,并在捕获时间后调用变化检测。

    下面用一段简化的代码来模拟一下替换 setTimeout 的过程:

    function setTimeoutPatch() {
      // 存储原始的setTimeout
      var originSetTimeout = window['setTimeout'];
      // 对浏览器原生方法的包裹封装
      window.setTimeout = function () {
          return global['zone']['setTimeout'].apply(global.zone, arguments);
      };
      // 创建包裹方法,提供给上面重写后的setTimeout使用Ï
      Zone.prototype['setTimeout'] = function (fn, delay) {
          // 先调用原始方法
        originSetTimeout.apply(window, arguments);
        // 执行完原始方法后就可以做其他拦截后需要进行的操作了
        ...
       };
    }
    

    NgZone

    Zone.js 提供了一个全局区域,可以被 fork 和扩展以进一步封装/隔离异步行为,Angular 通过创建一个fork并使用自己的行为扩展它,通常来说, 在 Angular APP 中,每个 Task 都会在 Angular 的 Zone 中运行,这个 Zone 被称为  NgZone 。一个 Angular APP 中只存在一个 Angular Zone, 而变更检测只会由运行于这个  **NgZone**  中的异步操作触发

    简单的理解就是: Angular 通过 Zone.js 创建了一个自己的区域并称之为 NgZone,Angular 应用中所有的异步操作都运行在这个区域中。

    变化检测是如何工作的?

    我们了解 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 变化检测详解_第2张图片

    Angular 在生成组件的同时,还会为每一个组件生成一个变化检测器 changeDetector ​,用来记录组件的数据变化状态,由于一个 Component 会对应一个 changeDetector ,所以 changeDetector 同样也是一个树状结构的组织。

    Angular 变化检测详解_第3张图片

    在组件中我们可以通过注入 ChangeDetectorRef ​ ​来获取组件的 changeDetector

    @Component({
      selector: "app-todos",
      ...
    })
    export class TodosComponent{
      constructor(cdr: ChangeDetectorRef) {}
    }

    我们在创建一个 Angular 应用 后,Angular 会同时创建一个 ApplicationRef ​ 的实例,这个实例代表的就是我们当前创建的这个 Angular 应用的实例。 ApplicationRef ​创建的同时,会订阅 ngZone 中的 onMicrotaskEmpty ​ 事件,在所有的微任务完成后调用所有的视图的 detectChanges() ​ 来执行变化检测。

    ​下是简化的代码:

    class ApplicationRef {
      // ViewRef 是继承于 ChangeDetectorRef 的
      _views: ViewRef[] = [];
      constructor(private _zone: NgZone) {
        this._zone.onMicrotaskEmpty.subscribe({
          next: () => {
            this._zone.run(() => {
              this.tick();
            });
          },
        });
      }
    
      // 执行变化检测
      tick() {
        for (let view of this._views) {
          view.detectChanges();
        }
      }
    }

    单向数据流

    什么是单向数据流?

    刚才我们说了每次触发变化检测,都会从根组件开始,沿着整棵组件树从上到下的执行每个组件的变更检测,默认情况下,直到最后一个叶子 Component 组件完成变更检测达到稳定状态。在这个过程中,一但父组件完成变更检测以后,在下一次事件触发变更检测之前,它的子孙组件都不允许去更改父组件的变化检测相关属性状态的,这就是单向数据流。

    我们看一个示例:

    @Component({
      selector: "app-parent",
      template: `
        {{ title }}
        
      `, 
    })
    export class ParentComponent {
      title = "我的父组件";
    }
    
    @Component({
      selector: "app-child",
      template: ``, 
    })
    export class ChildComponent implements AfterViewInit {
      constructor(private parent: ParentComponent) {}
    
      ngAfterViewInit(): void {
        this.parent.title = "被修改的标题";
      }
    }

    image.png

    为什么出现这个错误呢?

    这是因为我们违反了单向数据流,ParentComponent​ 完成变化检测达到稳定状态后,ChildComponent 又改变了 ParentComponent 的数据使得 ParentComponent 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 ,在生产环境中,则只会执行一次检查。

    并不是在所有的生命周期去调用都会报错,我们把刚才的示例修改一下:

    @Component({
      selector: "app-child",
      template: ``, 
    })
    export class ChildComponent implements OnInit {
      constructor(private parent: ParentComponent) {}
    
      ngOnInit(): void {
        this.parent.title = "被修改的标题";
      }
    }

    修改后的代码运行正常,这是为什么呢?这里要说一下Angular检测执行的顺序:

    1. 更新所有子子组件绑定的属性
    2. 调用所有子组件生命周期的钩子 OnChanges, OnInit, DoCheck ,AfterContentInit
    3. 更新当前组件的DOM
    4. 调用子组件的变换检测
    5. 调用所有子组件的生命周期钩子 ngAfterViewInit

    ngAfterViewInit 是在变化检测之后执行的,在执行变化检测后我们更改了父组件的数据,在Angular执行开发模式下的第二次检查时,发现与上一次的值不一致,所以报错,而 ngOnInit ​的执行在变化检测之前,所以一切正常。

    这里提一下AngularJS,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。

    Angular 变化检测详解_第4张图片

    变化检测的性能

    刚才我们聊了变化检测的工作流程,接下来我想说的是变化检测的性能, 默认情况下,当我们的组件中某个值发生了变化触发了变化检测,那么Angular会从上往下检查所有的组件。 不过Angular对每个组件进行更改检测的速度非常快,因为它可以使用 内联缓存 在几毫秒内执行数千次检查,其中内联缓存可生成对 VM 友好代码。

    尽管 Angular 进行了大量优化,但是遇到了大型应用,变化检测的性能仍然会下降,所以我们还需要用一些其他的方式来优化我们的应用。

    变化检测的策略

    Angular 提供了两种运行变更检测的策略:

    • Default
    • OnPush

    Default 策略

    默认情况下,Angular 使用 ChangeDetectionStrategy.Default 变更检测策略,每次事件触发变化检测(如用户事件、计时器、XHR、promise 等)时,此默认策略都会从上到下检查组件树中的每个组件。这种对组件的依赖关系不做任何假设的保守检查方式称为 脏检查 ,这种策略在我们应用组件过多时会对我们的应用产生性能的影响。

    OnPush 策略

    Angular 还提供了一种 OnPush 策略,我们可以修改组件装饰器的 changeDetection ​来更改变化检测的策略

    @Component({
        selector: 'app-demo',
        // 设置变化检测的策略
        changeDetection: ChangeDetectionStrategy.OnPush,
        template: ...
    })
    export class DemoComponent {
        ...
    }

    设置为 OnPush 策略后,Angular 每次触发变化检测后会跳过该组件和该组件的所以子组件变化检测

    OnPush模式下变化检测流程

    OnPush 策略下,只有以下这几种情况才会触发组件的变化检测:

    • 输入值(@Input)更改
    • 当前组件或子组件之一触发了事件
    • 手动触发变化检测
    • 使用 async 管道后, observable 值发生了变化

    输入值(@Input)更改

    在默认的变更检测策略中,Angular 将在 @Input() 数据发生更改或修改时执行变化检测,使用该 OnPush 时,传入 @Input() ​ 的值 必须是一个新的引用 才会触发变化检测。

    JavaScript有两种数据类型,值类型和引用类型,值类型包括:number、string、boolean、null、undefined,引用类型包括:Object、Arrary、Function,值类型每次赋值都会分配新的空间,而引用类型比如Object,直接修改属性是引用是不会发生变化的,只有赋一个新的对象才会改变引用。
    var a= 1;
    var b = a;
    b = 2;
    console.log(a==b); // false
    
    var obj1 = {a:1};
    var obj2 = obj1;
    obj2.a = 2;
    console.log(obj1); // {a:2}
    console.log(obj1 === obj2); //true
    
    obj2= {...obj1};
    console.log(obj1 === obj2); //false
    

    当前组件或子组件之一触发了事件

    如果 OnPush 组件或其子组件之一触发事件,例如 click,则将触发变化检测(针对组件树中的所有组件)。

    需要注意的是在 OnPush 策略中,以下操作不会触发变化检测:

    • setTimeout()
    • setInterval()
    • Promise.resolve().then()
    • this.http.get('...').subscribe()  

    手动触发变化检测

    有三种手动触发更改检测的方法:

    • ​​ detectChanges(): 它会触发当前组件和子组件的变化检测
    • markForCheck(): 它不会触发变化检测,但是会把当前的OnPush组件和所以的父组件为OnPush的组件 标记为需要检测状态 ,在当前或者下一个变化检测周期进行检测
    • ApplicationRef.tick() : 它会根据组件的变化检测策略,触发整个应用程序的更改检测

    Angular 变化检测详解_第5张图片

    可以通过 在线Demo ,更直观的了解这几种触发变化检测的方式

    使用 async 管道

    内置的 AsyncPipe 订阅一个 observable 并返回它发出的最新值。

    每次发出新值时的内部 AsyncPipe 调用 markForCheck

    private _updateLatestValue(async: any, value: Object): void {
      if (async === this._obj) {
        this._latestValue = value;
        this._ref.markForCheck();
      }
    }

    减少变化检测次数

    刚才我们聊了变化检测的策略,我们可以使用 OnPush ​的策略来优化我们的应用,那么这就够了吗? 在我们实际的开发中还会有很多的场景,我们需要通过一些其他的方式来继续优化我们的应用。

    场景1:

    假如我们在实现一个回车搜索的功能:

    @Component({
      selector: "app-enter",
      template: ``,
    })
    export class EnterComponent implements AfterViewInit {
      @ViewChild("input", { read: ElementRef })
      private inputElementRef: any;
    
      constructor() {}
    
      ngAfterViewInit(): void {
        this.inputElementRef.nativeElement.addEventListener(
          "keydown",
          (event: KeyboardEvent) => {
            const keyCode = event.which || event.keyCode;
            if (keyCode === 13) {
              this.search();
            }
          }
        );
      }
    
      search() {
        // ...
      }
    }
    

    大家从上面的示例中可以发现什么问题呢?

    我们知道事件会触发Angular的变化检测,在示例中绑定 keydown 事件后,每一次键盘输入都会触发变化检测,而这些变化检测大多数都是多余的检测,只有当按键为 Enter 时,才需要真正的进行变化检测。

    在这种情况下,我们就可以利用 NgZone.runOutsideAngular() ​ 来减少变化检测的次数。

    @Directive({
        selector: '[enter]'
    })
    export class ThyEnterDirective implements OnInit {
        @Output() enter = new EventEmitter();
    
        constructor(private ngZone: NgZone, private elementRef: ElementRef) {}
    
        ngOnInit(): void {
            // 包裹代码将运行在Zone区域之外
            this.ngZone.runOutsideAngular(() => {
                this.elementRef.nativeElement.addEventListener('keydown', (event: KeyboardEvent) => {
                    const keyCode = event.which || event.keyCode;
                    if (keyCode === 13) {
                        this.ngZone.run(() => {
                            this.enter.emit(event);
                        });
                    }
                });
            });
        }
    }
    

    场景2:

    假如我们使用 WebSocket 将大量数据从后端推送到前端,则相应的前端组件应仅每 10 秒更新一次。在这种情况下,我们可以通过调用 detach() 和手动触发它来停用更改检测 detectChanges()

    constructor(private cdr: ChangeDetectorRef) {
        cdr.detach(); // 停用变化检测
        setInterval(() => {
          this.cdr.detectChanges(); // 手动触发变化检测
        }, 10 * 1000);
      }

    当然使用 ngZone.runOutsideAngular() ​ 也可以处理这种场景。

    脱离 Zone.js 开发

    之前我们说了Angular 可以自动帮我们进行变化检测,这主要是基于Zone.js来实现,那么很多人潜意识会任务Zone.js 就是 Angular 是一部分,Angular的 应用程序必须基于Zone.js,其实不然,如果我们对应用有极高的性能要求时,我们可以选择移除 Zone.js,移除Zone.js 将会提升应用的性能和打包的体积,不过带来的后果就是我们需要主要去调用变化检测。

    如何移除 Zone.js?

    image.png

    Angular 变化检测详解_第6张图片

    手动调用变化检测

    在 Ivy 之后,我们有一些新的API可以更方便的调用变化检测

    Angular 变化检测详解_第7张图片

    ɵmarkDirty: 标记一个组件为 dirty 状态 (需要重新渲染) 并将在未来某个时间点安排一个变更检测

    ɵdetectChanges: 因为某些效率方面的原因,内部文档不推荐使用  ɵdetectChanges  而推荐使用  ɵmarkDirty ​, ɵdetectChanges ​会触发组件以子组件的变更检测。

    移除后的性能

    移除Zone.js后变化检测由应用自己来控制,极大的减少了不必要的变化检测次数,同时打包后的提及也减少了 36k

    移除前:

    image.png

    移除后:

    image.png

    测试与变化检测

    组件绑定

    我们先来看一个组件绑定的例子:

    Angular 变化检测详解_第8张图片

    image.png

    按我们正常开发组件的想法,当看到这个示例的时候一定认为这个Case是Ok的,但是在运行测试后我们发现这个Case失败了。

    在生产环境中,当 Angular 创建一个组件,就会自动进行变更检测。 但是在测试中, **TestBed.createComponent()** ​并不会进行变化检测,需要我们手动触发。

    修改一下上面的Case:

    Angular 变化检测详解_第9张图片

    image.png

    从上面的示例中可以了解到,我们必须通过调用 fixture.detectChanges() 来告诉 TestBed 执行数据绑定。

    如果我们在测试中动态改变了绑定值,同样也需要调用 fixture.detectChanges()

    it("should update title", () => {
        component.title = 'Test Title';
        fixture.detectChanges();
        const h1 = fixture.nativeElement.querySelector("h1");
        expect(h1.textContent).toContain('Test Title');
    });

    自动变更检测

    我们发现写测试过程中需要频繁的调用 fixture.detectChanges() ​,可能会觉得比较繁琐,那 Angular 可不可以在测试环境中自动运行变化检测呢?​

    我们可以通过配置  ComponentFixtureAutoDetect  来实现

    TestBed.configureTestingModule({
      declarations: [ BannerComponent ],
      providers: [
        { provide: ComponentFixtureAutoDetect, useValue: true }
      ]
    });

    然后再回头看看刚才的示例:

    Angular 变化检测详解_第10张图片

    image.png

    上面的示例我们并没有调用 fixture.detectChanges() ​,但是测试依然通过了,这是因为我们开启了自动变化检测。

    再看一个示例:

    Angular 变化检测详解_第11张图片

    image.png

    上面的示例中,我们在测试代码中动态修改了 title 的值,测试运行失败,这是因为 Angular 并不知道测试改变了组件, ComponentFixtureAutoDetect  只对异步操作进行自动变化检测,例如 Promise、setTimeout、click 等DOM事件等,如果我们手动更改了绑定值,我们依然还需要调用 fixture.detectChanges() ​ 来执行变化检测。

    常见的坑

    ngModel

    Angular 变化检测详解_第12张图片

    Angular 变化检测详解_第13张图片

    image.png

    上面这个示例,绑定值修改后调用了 fixture.detectChanges() ​, 但是运行测试后仍然报错,这是为什么呢?

    Angular 变化检测详解_第14张图片

    查看Angular源码后我们发现 ngModel 的值是通过异步更新的 ,执行 fixture.detectChanges() ​后虽然触发了变化检测,但是值还并未修改成功。

    修改一下测试:

    Angular 变化检测详解_第15张图片

    修改后我们将断言包裹在了 fixture.whenStable() ​ 中,然后测试通过,那 whenStable() ​ 是什么呢?

    whenStable(): Promise : 当夹具稳定时解析的承诺 当事件已触发异步活动或异步变更检测后,可用此方法继续执行测试。

    当然除了用 fixture.whenStable() ​ 我们也可以用 tick() ​ 来解决这个问题

    Angular 变化检测详解_第16张图片

    tick() :为 fakeAsync Zone 中的计时器模拟异步时间流逝 在此函数开始时以及执行任何计时器回调之后,微任务队列就会耗尽

    测试 OnPush 组件

    Angular 变化检测详解_第17张图片

    image.png

    上面这个示例,我们在修改属性后调用了 fixture.detectChanges() ​ ,但是测试未通过,这是为什么呢?我们发现这个示例与第一个示例唯一的区别就是这个组件是一个 OnPush 组件,之前我们说过默认变化检测会跳过 OnPush ​组件的,只有在特定的几种情况下才会触发变化检测的,遇到这种情况如何解决呢?​​

    Angular 变化检测详解_第18张图片

    我们可以手动获取组件的 ChangeDetectorRef ​ 来主动触发变化检测。

    延伸

    虚拟DOM与增量DOM

    Angular Ivy 是一个新的 Angular 渲染器,它与我们在主流框架中看到的任何东西都截然不同,因为它使用增量 DOM。 增量DOM是什么呢?它与虚拟Dom有什么不同呢?

    虚拟 DOM

    首先说一下虚拟DOM,我们要了解在浏览器中,直接操作Dom是十分损耗性能的,而虚拟DOM 的主要概念是将 UI的虚拟表示保存在内存中,通过 Diff 操作对比当前内存和上次内存中视图的差异,从而减少不必要的Dom操作,只针对差异的Dom进行更改。

    虚拟DOM执行流程:

    1. 当 UI 发生变化时,将整个 UI 渲染到 Virtual DOM 中。
    2. 计算先前和当前虚拟 DOM 表示之间的差异。
    3. 使用更改更新真实的 DOM。

    Angular 变化检测详解_第19张图片

    虚拟 DOM 的优点:

    • 高效的 Diff 算法。
    • 简单且有助于提高性能。
    • 没有 React 也可以使用
    • 足够轻量
    • 允许构建应用程序且不考虑状态转换

    增量 DOM

    增量Dom的主要概念是将组件编译成一系列的指令,这些指令去创建DOM树并在数据更改时就地的更新它们。

    Angular 变化检测详解_第20张图片

    例如:

    @Component({
      selector: 'todos-cmp',
      template: `
        
    {{t.description}}
    ` }) class TodosComponent { todos: Observable = this.store.pipe(select('todos')); constructor(private store: Store) {} }

    编译后:

    var TodosComponent = /** @class */ (function () {
      function TodosComponent(store) {
        this.store = store;
        this.todos = this.store.pipe(select('todos'));
      }
    
      TodosComponent.ngComponentDef = defineComponent({
        type: TodosComponent,
        selectors: [["todos-cmp"]],
        factory: function TodosComponent_Factory(t) {
          return new (t || TodosComponent)(directiveInject(Store));
        },
        consts: 2,
        vars: 3,
        template: function TodosComponent_Template(rf, ctx) {
          if (rf & 1) { // create dom
            pipe(1, "async");
            template(0, TodosComponent_div_Template_0, 2, 1, null, _c0);
          } if (rf & 2) { // update dom
            elementProperty(0, "ngForOf", bind(pipeBind1(1, 1, ctx.todos)));
          }
        },
        encapsulation: 2
      });
    
      return TodosComponent;
    }());

    增量DOM的优点:

    1. 渲染引擎可以被Tree Shakable,降低编译后的体积
    2. 占用较低的内存

    为什么可渲染引擎可以被 Tree Shakable?

    Tree Shaking 是指在编译目标代码时移除上下文中未引用的代码 ,增量 DOM 充分利用了这一点,因为它使用了基于指令的方法。正如示例所示,增量 DOM 在编译之前将每个组件编译成一组指令,这有助于识别未使用的指令。在 Tree Shakable 过程中,可以将这些未使用的的指令删除掉。

    减少内存的使用

    与虚拟 DOM 不同,增量 DOM 在重新呈现应用程序 UI 时不会生成真实 DOM 的副本。此外,如果应用程序 UI 没有变化,增量 DOM 就不会分配任何内存。大多数情况下,我们都是在没有任何重大修改的情况下重新呈现应用程序 UI。因此,按照这种方法可以极大的减少设备内存使用。

    总结

    至此,Angular 变化检测相关的内容就介绍完了,这是我在公司内部 2个小时的分享内容,在准备的过程中参考了很多优秀的资料,自己也学习到了更深层,更细节的一些技术点。如果大家有不理解的,欢迎在评论区沟通,如果有需要改正的地方,也欢迎大家指出,希望这篇文章可以帮助大家更好的理解Angular的变化检测。

    参考资料

    https://indepth.dev/posts/1305/the-last-guide-for-angular-change-detection-youll-ever-need

    https://blog.bitsrc.io/quantum-angular-maximizing-performance-by-removing-zone-e0eefe85b8d8

    https://blog.nrwl.io/understanding-angular-ivy-incremental-dom-and-virtual-dom-243be844bf36

    https://blog.bitsrc.io/incremental-vs-virtual-dom-eb7157e43dca

    https://blog.angular-university.io/how-does-angular-2-change-detection-really-work/

    https://angular.io/guide/testing-components-scenarios

    https://zhuanlan.zhihu.com/p/27901766

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