使用Vue.js一段时间后，对其底层原理有了更深入的理解，本文将总结Vue.js的核心实现机制。

Vue.js包含两个核心功能：响应式数据绑定和组件系统。大多数MVC框架实现了单向数据绑定，而双向绑定则是在单向绑定的基础上，为可输入元素添加change事件，从而动态更新model和view。

1. MVC、MVP与MVVM架构模式

1.1 MVC模式

MVC模式将软件系统分为三个核心部分：

1.视图（View）：用户界面呈现 2.控制器（Controller）：业务逻辑处理 3.模型（Model）：数据存储与管理

各组件间的通信流程如下：

1.视图向控制器发送用户指令 2.控制器完成业务逻辑后请求模型更新状态 3.模型将新数据发送到视图，界面相应更新

所有通信均为单向流动。接收用户指令时，MVC有两种方式：通过视图传递指令给控制器，或用户直接向控制器发送指令。

实际应用中可能更加灵活，以Backbone.js为例：

1.用户可向视图(View)发送指令(DOM事件)，再由View直接请求Model改变状态。 2.用户也可向Controller发送指令(改变URL触发hashChange事件)，再由Controller传递给View。 3.Controller层较薄，主要起路由作用，而View层较厚，业务逻辑集中在View。因此Backbone简化了Controller，只保留Router(路由器)。

MVC模式体现了"关注点分离"的设计原则，将人机交互应用的功能分为三部分：Model对应应用状态和业务功能的封装，可理解为包含数据和行为的领域模型；View负责界面呈现和用户交互；Controller作为Model和View之间的连接器，控制应用流程。

1.2 MVP模式

MVP模式将Controller重命名为Presenter，并改变了通信方向：

1.各组件间通信变为双向。 2.视图(View)与模型(Model)不直接交互，所有通信通过**表现器(Presenter)**进行。 3.View层较薄，不包含业务逻辑，称为被动视图(Passive View)，而Presenter层较厚，包含所有逻辑。

MVP适用于事件驱动的应用架构，如ASP.NET Web Form、Windows Forms应用。

1.3 MVVM模式

MVVM模式将Presenter层替换为ViewModel，其他方面与MVP基本一致。其与MVP的关键区别是采用双向绑定，视图层(View)的变更自动反映在ViewModel，反之亦然。Angular、Vue和React均采用这种方式。

MVVM源于WPF，主要用于分离应用界面层和业务逻辑层。在MVVM中，一个ViewModel与一个View匹配，完全绑定，View中的任何修改都会更新到ViewModel，同时ViewModel的任何变化都会同步到View。这种自动同步的实现依赖于ViewModel中的属性实现了observable接口，即当使用属性的set方法时，会触发属性修改事件，使绑定的UI自动刷新。

2. JavaScript访问器属性

访问器属性是一种特殊属性，不能直接在对象中定义，必须通过Object.defineProperty()方法定义。

Object.defineProperty()方法直接在对象上定义或修改属性，并返回该对象。该方法允许精确添加或修改对象的属性。通过赋值操作添加的普通属性是可枚举的，而使用Object.defineProperty()添加的属性默认不可修改。

该方法原型如下：

Object.defineProperty(obj, prop, descriptor)

参数说明：

• obj: 要在其上定义属性的对象
• prop: 要定义或修改的属性名
• descriptor: 将被定义或修改的属性描述符

对象属性描述符分为两类：数据描述符和存取描述符。数据描述符是一个具有值的属性，存取描述符则由getter和setter函数描述。描述符必须是这两类之一，不能同时兼具。

数据描述符和存取描述符共有以下可选键值：

1. configurable: 当且仅当该属性的configurable为true时，该属性描述符才能被修改，同时该属性也能从对象上删除。默认为false。
2. enumerable: 当且仅当该属性的enumerable为true时，该属性才能出现在对象的枚举属性中。默认为false。

数据描述符额外具有以下可选键值：

1. value: 该属性对应的值。可以是任何有效的JavaScript值。默认为undefined。
2. writable: 当且仅当该属性的writable为true时，value才能被赋值运算符改变。默认为false。

存取描述符额外具有以下可选键值：

1. get: 一个提供属性getter的方法，访问属性时执行。默认为undefined。
2. set: 一个提供属性setter的方法，属性值被修改时触发。默认为undefined。

如果一个描述符没有value、writable、get或set中的任何一个，它将被视为数据描述符。如果一个描述符同时包含(value或writable)和(get或set)，将抛出异常。

2.1 定义访问器属性

以下示例展示如何使用Object.defineProperty()定义访问器属性：

var obj = {};
Object.defineProperty(obj, 'hello', {
    get: function() {
        console.log('get方法被调用');
    },
    set: function(v) {
        console.log("set方法被调用了，参数是" + v);
    }
});
obj.hello; // get方法被调用
obj.hello = 'abc'; // set方法被调用了，参数是abc

访问器属性可以像普通属性一样读取和设置，实际上是通过内部get和set方法操作属性。为属性赋值就是调用set方法并使用参数赋值。get和set方法内部的this指针指向对象本身，意味着它们可以操作对象内部的值。访问器属性会覆盖同名的普通属性，因为访问器属性优先级更高。

2.2 实现自存档对象

以下示例展示如何实现一个自存档对象，当设置temperature属性时，archive数组会记录日志：

function Archiver() {
    var temperature = null;
    var archive = [];
    Object.defineProperty(this, 'temperature', {
        get: function() {
            console.log('get!');
            return temperature;
        },
        set: function(value) {
            temperature = value;
            archive.push({val: temperature});
        }
    });
    this.getArchive = function() {
        return archive;
    };
}

var arc = new Archiver();
console.log(arc.temperature); // 输出get，但arc.temperature为null
arc.temperature = 11; // 触发archive.push({val: 11})
arc.temperature = 13; // 触发archive.push({val: 13})
console.log(arc.getArchive()); // 输出[{val: 11}, {val: 13}]

3. Vue.js双向绑定实现

3.1 基本双向绑定

Vue.js最重要的概念是数据双向绑定，也是MVVM的主要特点。以下是一个极简实现：

HTML代码：

<input type="text" id="a">
<span id="b"></span>

JavaScript代码：

var obj = {};
Object.defineProperty(obj, 'hello', {
    set: function(newVal) {
        document.getElementById('a').value = newVal;
        document.getElementById('b').innerHTML = newVal;
    }
});
document.addEventListener('keyup', function(e) {
    obj.hello = e.target.value;
});

这个实现在文本框中输入的值会显示在旁边的标签中。为了实现更接近Vue.js的写法，我们通常使用以下方式：

HTML代码：

<input type="text" v-model="text">
{{ text }}

JavaScript代码：

var vm = new Vue({
    el: 'app',
    data: {
        text: 'hello world'
    }
});

Vue.js背后做了大量工作来实现这种简洁的写法，主要包括：

1. 输入框及文本节点与data中的数据绑定显示
2. 输入框变化时，data中的数据同步变化(MVVM中view=>viewmodel)
3. data中数据变化时，文本节点显示内容同步更新(MVVM中viewmodel=>view)

3.2 数据初始化绑定

在实现数据初始化绑定前，需要了解DocumentFragment。DocumentFragment(文档片段)可视为节点容器，包含多个子节点，插入DOM时只有其子节点会被插入目标节点，可视为一组节点容器。使用DocumentFragment处理节点速度和性能优于直接操作DOM。Vue进行编译时，会将挂载目标的所有子节点劫持到DocumentFragment中，处理后再将DocumentFragment整体返回到挂载目标。

示例代码：

var dom = nodeToFragment(document.getElementById("app"));
console.log(dom);

function nodeToFragment(node, vm) {
    var flag = document.createDocumentFragment();
    var child;
    while (child = node.firstChild) {
        flag.appendChild(child); // 劫持node的所有节点
    }
    return flag;
}
document.getElementById("app").appendChild(dom);

HTML代码：

<div id="app">
    <input type="text" v-model="text">
    {{text}}
</div>

JavaScript代码：

function compile(node, vm) {
    var reg = /\{\{(.*)\}\}/;
    // 节点类型为元素
    if (node.nodeType === 1) {
        var attr = node.attributes;
        // 解析属性
        for (var i = 0; i < attr.length; i++) {
            if (attr[i].nodeName === 'v-model') {
                var name = attr[i].nodeValue; // 获取v-model绑定的属性名
                node.value = vm.data[name]; // 将data的值赋给该node
                node.removeAttribute('v-model');
            }
        }
    }
    // 节点类型为文本
    if (node.nodeType === 3) {
        if (reg.test(node.nodeValue)) {
            var name = RegExp.$1; // 获取匹配到的字符串
            name = name.trim();
            node.nodeValue = vm.data[name]; // 将该data的值赋给该node
        }
    }
}

function nodeToFragment(node, vm) {
    var flag = document.createDocumentFragment();
    var child;
    while (child = node.firstChild) {
        compile(child, vm);
        // 将子节点劫持到文档片段中
        flag.appendChild(child);
    }
    return flag;
}

// 构造函数
function Vue(options) {
    this.data = options.data;
    var id = options.el;
    var dom = nodeToFragment(document.getElementById(id), this);
    // 编译完成后把dom返回到app中
    document.getElementById(id).appendChild(dom);
}

var vm = new Vue({
    el: 'app',
    data: {
        text: 'hello world'
    }
});

3.3 响应式数据绑定

初始化绑定仅实现了第一步，接下来需要实现文本框中输入内容时，Vue实例中的属性值也跟着变化。思路是在文本框输入数据时触发input事件(也可用keyup或change)，在事件处理程序中获取输入内容赋值给Vue实例vm的text属性。这里利用Object.defineProperty()方法给Vue实例中data的属性重新定义为访问器属性，添加get和set存取描述符，这样给vm.text赋值时就会触发set方法，在set方法中更新Vue实例属性的值。

HTML代码：

<div id="app">
    <input type="text" v-model="text"/>
    {{ text }}
</div>

JavaScript代码：

/**
 * 使用defineProperty将data中的text设置为vm的访问器属性
 * @param obj 对象
 * @param key 属性名
 * @param val 属性值
 */
function defineReactive(obj, key, val) {
    Object.defineProperty(obj, key, {
        get: function() {
            return val;
        },
        set: function(newVal) {
            if (newVal === val) return;
            val = newVal;
            // 输出日志
            console.log(`set方法触发属性值变化${val}`);
        }
    });
}

/**
 * 给vue实例定义访问器属性
 * @param obj vue实例中的数据
 * @param vm vue对象
 */
function observe(obj, vm) {
    Object.keys(obj).forEach(function(key) {
        defineReactive(vm, key, obj[key]);
    });
}

/**
 * 编译过程，给子节点初始化绑定vue实例中的属性值
 * @param node 子节点
 * @param vm vue实例
 */
function compile(node, vm) {
    let reg = /\{\{(.*)\}\}/;
    // 节点类型为元素
    if (node.nodeType === 1) {
        let attr = node.attributes;
        // 解析属性
        for (let i = 0; i < attr.length; i++) {
            if (attr[i].nodeName === 'v-model') {
                // 获取v-model绑定的属性名
                let name = attr[i].nodeValue;
                // 添加监听事件
                node.addEventListener('input', function(e) {
                    // 给相应的data属性赋值，进而触发该属性的set方法
                    vm[name] = e.target.value;
                });
                // 将data的值赋给该node
                node.value = vm.data[name];
                node.removeAttribute('v-model');
            }
        }
    }
    // 节点类型为文本
    if (node.nodeType === 3) {
        if (reg.test(node.nodeValue)) {
            // 使用正则表达式获取匹配到的字符串
            let name = RegExp.$1;
            name = name.trim();
            // 将data的值赋给该node.nodeValue
            node.nodeValue = vm.data[name];
        }
    }
}

/**
 * DocumentFragment文档片段，可以看作节点容器
 * @param node 节点
 * @param vm vue实例
 */
function nodeToFragment(node, vm) {
    var flag = document.createDocumentFragment();
    var child;
    while (child = node.firstChild) {
        compile(child, vm);
        flag.appendChild(child);
    }
    return flag;
}

/*vue类*/
function Vue(options) {
    this.data = options.data;
    let data = this.data;
    // 给vue实例的data定义访问器属性，覆盖原来的同名属性
    observe(data, this);
    let id = options.el;
    let dom = nodeToFragment(document.getElementById(id), this);
    // 编译，劫持完成后将dom返回到app中
    document.getElementById(id).appendChild(dom);
}

/*定义一个vue实例*/
let vm = new Vue({
    el: 'app',
    data: {
        text: 'hello world!'
    }
});

set方法被触发后，Vue实例的text属性跟着变化，但内容没有更新。接下来使用"订阅/发布模式"解决这个问题。

3.4 订阅/发布模式

订阅/发布模式(观察者模式)定义一对多关系，让多个观察者同时监听一个主题对象，主题对象状态改变时所有观察者都会收到通知。

发布者发出通知 => 主题对象收到通知并推送给订阅者 => 订阅者执行相应操作

示例代码：

/**
 * 定义一个发布者publisher
 */
var pub = {
    publish: function() {
        dep.notify();
    }
}

/**
 * 三个订阅者
 */
var sub1 = {
    update: function() {
        console.log(1);
    }
};
var sub2 = {
    update: function() {
        console.log(2);
    }
};
var sub3 = {
    update: function() {
        console.log(3);
    }
}

/**
 * 一个主题对象
 */
function Dep() {
    this.subs = [sub1, sub2, sub3];
}
Dep.prototype.notify = function() {
    this.subs.forEach(function(sub) {
        sub.update();
    });
}

// 发布者发布消息，主题对象执行notify方法，触发所有订阅者响应
var dep = new Dep();
pub.publish();

3.5 完整双向绑定实现

实现完整双向绑定的关键是利用订阅/发布模式，将Watcher添加到关联属性的dep中。

HTML代码：

<div id="app">
    <input type="text" v-model="text">
    {{ text }}
</div>

JavaScript代码：

/**
 * 使用defineProperty将data中的text设置为vm的访问器属性
 * @param obj 对象
 * @param key 属性名
 * @param val 属性值
 */
function defineReactive(obj, key, val) {
    // 发布者对象
    var dep = new Dep();
    Object.defineProperty(obj, key, {
        get: function() {
            // 依赖收集
            if (Dep.target) dep.addSub(Dep.target);
            return val;
        },
        set: function(newVal) {
            if (newVal === val) return;
            val = newVal;
            // 通知变更
            dep.notify();
        }
    });
}

/**
 * 给vue实例定义访问器属性
 * @param obj vue实例中的数据
 * @param vm vue对象
 */
function observe(obj, vm) {
    Object.keys(obj).forEach(function(key) {
        defineReactive(vm, key, obj[key]);
    });
}

/**
 * DocumentFragment文档片段
 * @param node 节点
 * @param vm vue实例
 */
function nodeToFragment(node, vm) {
    var flag = document.createDocumentFragment();
    var child;
    while (child = node.firstChild) {
        compile(child, vm);
        flag.appendChild(child);
    }
    return flag;
}

/**
 * 编译过程，给子节点初始化绑定vue实例中的属性值
 * @param node 子节点
 * @param vm vue实例
 */
function compile(node, vm) {
    var reg = /\{\{(.*)\}\}/;
    // 节点类型为元素
    if (node.nodeType === 1) {
        var attr = node.attributes;
        // 解析属性
        for (var i = 0; i < attr.length; i++) {
            if (attr[i].nodeName === 'v-model') {
                var name = attr[i].nodeValue;
                node.addEventListener('input', function(e) {
                    vm[name] = e.target.value;
                });
                node.value = vm[name];
                node.removeAttribute('v-model');
            }
        }
    }
    // 节点类型为文本
    if (node.nodeType === 3) {
        if (reg.test(node.nodeValue)) {
            var name = RegExp.$1;
            name = name.trim();
            new Watcher(vm, node, name, 'text');
        }
    }
}

/**
 * 观察者
 * @param vm vue实例
 * @param node 节点
 * @param name 属性名
 * @param nodeType 节点类型
 * @constructor
 */
function Watcher(vm, node, name, nodeType) {
    // 将当前对象赋值给全局变量Dep.target
    Dep.target = this;
    this.name = name;
    this.node = node;
    this.vm = vm;
    this.nodeType = nodeType;
    // 更新
    this.update();
    // 设置为空，避免重复添加订阅者
    Dep.target = null;
}

Watcher.prototype = {
    update: function() {
        this.get();
        if (this.nodeType === 'text') {
            this.node.nodeValue = this.value;
        }
        if (this.nodeType === 'input') {
            this.node.value = this.value;
        }
    },
    get: function() {
        this.value = this.vm[this.name];
    }
}

/**
 * 主题对象
 * @constructor
 */
function Dep() {
    this.subs = [];
}

Dep.prototype = {
    // 添加订阅者
    addSub: function(sub) {
        this.subs.push(sub);
    },
    // 通知变化
    notify: function() {
        this.subs.forEach(function(sub) {
            sub.update();
        });
    }
};

/**
 * Vue构造函数
 * @param options Vue参数选项
 * @constructor
 */
function Vue(options) {
    this.data = options.data;
    var data = this.data;
    observe(data, this);
    var id = options.el;
    var dom = nodeToFragment(document.getElementById(id), this);
    document.getElementById(id).appendChild(dom);
}

// 定义Vue实例
var vm = new Vue({
    el: 'app',
    data: {
        text: 'hello world'
    }
});

4. 总结

本文介绍了Vue.js的核心实现原理及相关知识，包括MVC、MVP、MVVM架构模式，JavaScript访问器属性，DocumentFragment文档片段，以及观察者模式(订阅/发布模式)。Vue.js的实现主要涉及数据编译(compilation)、通过DocumentFragment实现数据劫持挂载，以及通过观察者模式实现数据双向绑定等核心机制。