TypeScript从零实现基于Proxy的响应式库 基于函数劫持实现Map和Set的响应式

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前言

在本系列的上一篇文章

带你彻底搞懂Vue3的响应式原理！TypeScript从零实现基于Proxy的响应式库。中，

我们详细的讲解了普通对象和数组实现响应式的原理，但是Proxy可以做的远不止于此，对于es6中新增的Map、Set、WeakMap、WeakSet也一样可以实现响应式的支持。

但是对于这部分的劫持，代码中的逻辑是完全独立的一套，这篇文章就来看一下如何基于函数劫持实现实现这个需求。

阅读本篇需要的一些前置知识：
Proxy
WeakMap
Reflect
Symbol.iterator (会讲解)

为什么特殊

在上一篇文章中，假设我们通过data.a去读取响应式数据data的属性，则会触发Proxy的劫持中的get(target, key)

target就是data对应的原始对象，key就是a

我们可以在这时候给key: a注册依赖，然后通过Reflect.get(data, key)去读到原始数据返回出去。

回顾一下：

/** 劫持get访问 收集依赖 */
function get(target: Raw, key: Key, receiver: ReactiveProxy) {
  const result = Reflect.get(target, key, receiver)
  
  // 收集依赖
  registerRunningReaction({ target, key, receiver, type: "get" })

  return result
}

而当我们的响应式对象是一个Map数据类型的时候，想象一下这个场景：

const data = reactive(new Map([['a', 1]]))

observe(() => data.get('a'))

data.set('a', 2)

读取数据的方式变成了data.get('a')这种形式，如果还是用上一篇文章中的get，会发生什么情况呢？

get(target, key)中的target是map原始对象，key是get，

通过Reflect.get返回的是map.get这个方法，注册的依赖也是通过get这个key注册的，而我们想要的效果是通过a这个key来注册依赖。

所以这里的办法就是函数劫持，就是把对于Map和Set的所有api的访问（比如has, get, set, add）全部替换成我们自己写的方法，让用户无感知的使用这些api，但是内部却已经被我们自己的代码劫持了。

实现

我们把上篇文章中的目录结构调整成这样：

src/handlers
// 数组和对象的handlers
├── base.ts
// map和set的handlers
├── collections.ts
// 统一导出
└── index.ts

入口

首先看一下handlers/index.ts入口的改造

import { collectionHandlers } from "./collections"
import { baseHandlers } from "./base"
import { Raw } from "types"

// @ts-ignore
// 根据对象的类型 获取Proxy的handlers
export const handlers = new Map([
  [Map, collectionHandlers],
  [Set, collectionHandlers],
  [WeakMap, collectionHandlers],
  [WeakSet, collectionHandlers],
  [Object, baseHandlers],
  [Array, baseHandlers],
  [Int8Array, baseHandlers],
  [Uint8Array, baseHandlers],
  [Uint8ClampedArray, baseHandlers],
  [Int16Array, baseHandlers],
  [Uint16Array, baseHandlers],
  [Int32Array, baseHandlers],
  [Uint32Array, baseHandlers],
  [Float32Array, baseHandlers],
  [Float64Array, baseHandlers],
])

/** 获取Proxy的handlers */
export function getHandlers(obj: Raw) {
  return handlers.get(obj.constructor)
}

这里定义了一个Map: handlers，导出了一个getHandlers方法，根据传入数据的类型获取Proxy的第二个参数handlers，

baseHandlers在第一篇中已经进行了详细讲解。

这篇文章主要是讲解collectionHandlers。

collections

先看一下collections的入口：

// 真正交给Proxy第二个参数的handlers只有一个get
// 把用户对于map的get、set这些api的访问全部移交给上面的劫持函数
export const collectionHandlers = {
  get(target: Raw, key: Key, receiver: ReactiveProxy) {
    // 返回上面被劫持的api
    target = hasOwnProperty.call(instrumentations, key)
      ? instrumentations
      : target
    return Reflect.get(target, key, receiver)
  },
}

我们所有的handlers只有一个get，也就是用户对于map或者set上所有api的访问（比如has, get, set, add），都会被转移到我们自己定义的api上，这其实就是函数劫持的一种应用。

那关键就在于instrumentations这个对象上，我们对于这些api的自己的实现。

劫持api的实现

get和set

export const instrumentations = {
  get(key: Key) {
    // 获取原始数据
    const target = proxyToRaw.get(this)
    // 获取原始数据的__proto__ 拿到原型链上的方法
    const proto: any = Reflect.getPrototypeOf(this)
    // 注册get类型的依赖
    registerRunningReaction({ target, key, type: "get" })
    // 调用原型链上的get方法求值 然后对于复杂类型继续定义成响应式
    return findReactive(proto.get.apply(target, arguments))
  },
  set(key: Key, value: any) {
    const target = proxyToRaw.get(this)
    const proto: any = Reflect.getPrototypeOf(this)
    // 是否是新增的key
    const hadKey = proto.has.call(target, key)
    // 拿到旧值
    const oldValue = proto.get.call(target, key)
    // 求出结果
    const result = proto.set.apply(target, arguments)
    if (!hadKey) {
      // 新增key值时以type: add触发观察函数
      queueReactionsForOperation({ target, key, value, type: "add" })
    } else if (value !== oldValue) {
      // 已存在的key的值发生变化时以type: set触发观察函数
      queueReactionsForOperation({ target, key, value, oldValue, type: "set" })
    }
    return result
  },
}

/** 对于返回值 如果是复杂类型 再进一步的定义为响应式 */
function findReactive(obj: Raw) {
  const reactiveObj = rawToProxy.get(obj)
  // 只有正在运行观察函数的时候才去定义响应式
  if (hasRunningReaction() && isObject(obj)) {
    if (reactiveObj) {
      return reactiveObj
    }
    return reactive(obj)
  }
  return reactiveObj || obj
}

核心的get和set方法和上一篇文章中的实现就几乎一样了，get返回的值通过findReactive确保进一步定义响应式数据，从而实现深度响应。

至此，这样的用例就可以跑通了：

const data = reactive(new Map([['a', 1]]))
observe(() => console.log('a', data.get('a')))

data.set('a', 5)
// 重新打印出a 5

接下来再针对一些特有的api进行实现：

has

  has (key) {
    const target = proxyToRaw.get(this)
    const proto = Reflect.getPrototypeOf(this)
    registerRunningReactionForOperation({ target, key, type: 'has' })
    return proto.has.apply(target, arguments)
  },

add

add就是典型的新增key的流程，会触发循环相关的观察函数。

  add (key: Key) {
    const target = proxyToRaw.get(this)
    const proto: any  = Reflect.getPrototypeOf(this)
    const hadKey = proto.has.call(target, key)
    const result = proto.add.apply(target, arguments)
    if (!hadKey) {
      queueReactionsForOperation({ target, key, value: key, type: 'add' })
    }
    return result
  },

delete

delete也和上一篇中的deleteProperty的实现大致相同，会触发循环相关的观察函数。

  delete (key: Key) {
    const target = proxyToRaw.get(this)
    const proto: any = Reflect.getPrototypeOf(this)
    const hadKey = proto.has.call(target, key)
    const result = proto.delete.apply(target, arguments)
    if (hadKey) {
      queueReactionsForOperation({ target, key, type: 'delete' })
    }
    return result
  },

clear

  clear () {
    const target: any = proxyToRaw.get(this)
    const proto: any = Reflect.getPrototypeOf(this)
    const hadItems = target.size !== 0
    const result = proto.clear.apply(target, arguments)
    if (hadItems) {
      queueReactionsForOperation({ target, type: 'clear' })
    }
    return result
  },

在触发观察函数的时候，针对clear这个type做了一些特殊处理，也是触发循环相关的观察函数。

export function getReactionsForOperation ({ target, key, type }) {
  const reactionsForTarget = connectionStore.get(target)
  const reactionsForKey = new Set()

+  if (type === 'clear') {
+    reactionsForTarget.forEach((_, key) => {
+      addReactionsForKey(reactionsForKey, reactionsForTarget, key)
+    })
  } else {
    addReactionsForKey(reactionsForKey, reactionsForTarget, key)
  }

 if (
    type === 'add' 
    || type === 'delete' 
+   || type === 'clear'
) {
    const iterationKey = Array.isArray(target) ? 'length' : ITERATION_KEY
    addReactionsForKey(reactionsForKey, reactionsForTarget, iterationKey)
  }

  return reactionsForKey
}

clear的时候，把每一个key收集到的观察函数都给拿到，并且把循环的观察函数也拿到，可以说是触发最全的了。

逻辑也很容易理解，clear的行为每一个key都需要关心，只要在observe函数中读取了任意的key，clear的时候也需要重新执行这个observe的函数。

forEach

  forEach (cb, ...args) {
    const target = proxyToRaw.get(this)
    const proto = Reflect.getPrototypeOf(this)
    registerRunningReaction({ target, type: 'iterate' })
    const wrappedCb = (value, ...rest) => cb(findObservable(value), ...rest)
    return proto.forEach.call(target, wrappedCb, ...args)
  },

到了forEach的劫持 就稍微有点难度了。

首先registerRunningReaction注册依赖的时候，用的key是iterate，这个很容易理解，因为这是遍历的操作。

这样用户后续对集合数据进行新增或者删除、或者使用clear操作的时候，会重新触发内部调用了forEach的观察函数

重点看下接下来这两段代码：

const wrappedCb = (value, ...rest) => cb(findObservable(value), ...rest)
return proto.forEach.call(target, wrappedCb, ...args)

wrappedCb包裹了用户自己传给forEach的cb函数，然后传给了集合对象原型链上的forEach，这又是一个函数劫持。用户传入的是map.forEach(cb)，而我们最终调用的是map.forEach(wrappedCb)。

在这个wrappedCb中，我们把cb中本应该获得的原始值value通过findObservable定义成响应式数据交给用户，这样用户在forEach中进行的响应式操作一样可以收集到依赖了，不得不赞叹这个设计的巧妙。

keys && size

  get size () {
    const target = proxyToRaw.get(this)
    const proto = Reflect.getPrototypeOf(this)
    registerRunningReaction({ target, type: 'iterate' })
    return Reflect.get(proto, 'size', target)
  },
  keys () {
    const target = proxyToRaw.get(this)
    const proto: any = Reflect.getPrototypeOf(this)
    registerRunningReaction({ target, type: 'iterate' })
    return proto.keys.apply(target, arguments)
  },

由于keys和size返回的值不需要定义成响应式，所以直接返回原值就可以了。

values

再来看一个需要做特殊处理的典型

  values () {
    const target = proxyToRaw.get(this)
    const proto: any = Reflect.getPrototypeOf(this)
    registerRunningReaction({ target, type: 'iterate' })
    const iterator = proto.values.apply(target, arguments)
    return patchIterator(iterator, false)
  },

这里有一个知识点需要注意一下，就是集合对象的values方法返回的是一个迭代器对象Map.values，

这个迭代器对象每一次调用next()都会返回Map中的下一个值

，为了让next()得到的值也可以变成响应式proxy，我们需要用patchIterator劫持iterator

// 把iterator劫持成响应式的iterator
function patchIterator (iterator) {
  const originalNext = iterator.next
  iterator.next = () => {
    let { done, value } = originalNext.call(iterator)
    if (!done) {
      value = findReactive(value)
    }
    return { done, value }
  }
  return iterator
}

也是经典的函数劫持逻辑，把原有的{ done, value }值拿到，把value值定义成响应式proxy。

理解了这个概念以后，剩下相关几个handler也好理解了

entries

  entries () {
    const target = proxyToRaw.get(this)
    const proto: any = Reflect.getPrototypeOf(this)
    registerRunningReaction({ target, type: 'iterate' })
    const iterator = proto.entries.apply(target, arguments)
    return patchIterator(iterator, true)
  },

对应entries也有特殊处理，把迭代器传给patchIterator的时候需要特殊标记一下这是entries，看一下patchIterator的改动：

/** 把iterator劫持成响应式的iterator */ 
function patchIterator (iterator, isEntries) {
  const originalNext = iterator.next
  iterator.next = () => {
    let { done, value } = originalNext.call(iterator)
    if (!done) {
+      if (isEntries) {
+        value[1] = findReactive(value[1])
      } else {
        value = findReactive(value)
      }
    }
    return { done, value }
  }
  return iterator
}

entries操作的每一项是一个[key, val]的数组，所以通过下标[1]，只把值定义成响应式，key不需要特殊处理。

Symbol.iterator

  [Symbol.iterator] () {
    const target = proxyToRaw.get(this)
    const proto: any = Reflect.getPrototypeOf(this)
    registerRunningReaction({ target, type: 'iterate' })
    const iterator = proto[Symbol.iterator].apply(target, arguments)
    return patchIterator(iterator, target instanceof Map)
  },

这里又是一个比较特殊的处理了，[Symbol.iterator]这个内置对象会在for of操作的时候被触发，具体可以看本文开头给出的mdn文档。所以也要用上面的迭代器劫持的思路。

patchIterator的第二个参数，是因为对Map数据结构使用for of操作的时候，返回的是entries结构，所以也需要进行特殊处理。

总结

本文的代码都在这个仓库里
https://github.com/sl1673495/proxy-reactive

函数劫持的思路在各种各样的前端库中都有出现，这几乎是进阶必学的一种技巧了，希望通过本文的学习，你可以理解函数劫持的一些强大的作用。也可以想象Vue3里用proxy来实现响应式能力有多么强。