原文鏈接:https://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/livoras/blog/issues/13
知乎參考:https://www.zhihu.com/question/29504639
目錄:
- 1 前言
- 2 對(duì)前端應(yīng)用狀態(tài)管理思考
- 3 Virtual DOM 算法
- 4 算法實(shí)現(xiàn)
- 4.1 步驟一:用JS對(duì)象模擬DOM樹
- 4.2 步驟二:比較兩棵虛擬DOM樹的差異
- 4.3 步驟三:把差異應(yīng)用到真正的DOM樹上
- 5 結(jié)語(yǔ)
- 6 References
1 前言
本文會(huì)在教你怎么用 300~400 行代碼實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的 Virtual DOM 算法,并且嘗試盡量把 Virtual DOM 的算法思路闡述清楚舒帮。希望在閱讀本文后玩郊,能讓你深入理解 Virtual DOM 算法,給你現(xiàn)有前端的編程提供一些新的思考兴溜。
本文所實(shí)現(xiàn)的完整代碼存放在 Github刨沦。
2 對(duì)前端應(yīng)用狀態(tài)管理的思考
假如現(xiàn)在你需要寫一個(gè)像下面一樣的表格的應(yīng)用程序想诅,這個(gè)表格可以根據(jù)不同的字段進(jìn)行升序或者降序的展示岛心。
<figure>
<noscript></noscript>
</figure>
這個(gè)應(yīng)用程序看起來(lái)很簡(jiǎn)單存皂,你可以想出好幾種不同的方式來(lái)寫。最容易想到的可能是,在你的 JavaScript 代碼里面存儲(chǔ)這樣的數(shù)據(jù):
var sortKey = "new" // 排序的字段疤孕,新增(new)鹉戚、取消(cancel)抹凳、凈關(guān)注(gain)、累積(cumulate)人數(shù)
var sortType = 1 // 升序還是逆序
var data = [{...}, {...}, {..}, ..] // 表格數(shù)據(jù)
用三個(gè)字段分別存儲(chǔ)當(dāng)前排序的字段、排序方向粹庞、還有表格數(shù)據(jù)庞溜;然后給表格頭部加點(diǎn)擊事件:當(dāng)用戶點(diǎn)擊特定的字段的時(shí)候,根據(jù)上面幾個(gè)字段存儲(chǔ)的內(nèi)容來(lái)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行排序不傅,然后用 JS 或者 jQuery 操作 DOM,更新頁(yè)面的排序狀態(tài)(表頭的那幾個(gè)箭頭表示當(dāng)前排序狀態(tài)觉阅,也需要更新)和表格內(nèi)容劫哼。
這樣做會(huì)導(dǎo)致的后果就是权烧,隨著應(yīng)用程序越來(lái)越復(fù)雜般码,需要在JS里面維護(hù)的字段也越來(lái)越多板祝,需要監(jiān)聽事件和在事件回調(diào)用更新頁(yè)面的DOM操作也越來(lái)越多券时,應(yīng)用程序會(huì)變得非常難維護(hù)橘洞。后來(lái)人們使用了 MVC、MVP 的架構(gòu)模式震檩,希望能從代碼組織方式來(lái)降低維護(hù)這種復(fù)雜應(yīng)用程序的難度博其。但是 MVC 架構(gòu)沒辦法減少你所維護(hù)的狀態(tài)迂猴,也沒有降低狀態(tài)更新你需要對(duì)頁(yè)面的更新操作(前端來(lái)說就是DOM操作)峰髓,你需要操作的DOM還是需要操作携兵,只是換了個(gè)地方徐紧。
既然狀態(tài)改變了要操作相應(yīng)的DOM元素并级,為什么不做一個(gè)東西可以讓視圖和狀態(tài)進(jìn)行綁定嘲碧,狀態(tài)變更了視圖自動(dòng)變更愈涩,就不用手動(dòng)更新頁(yè)面了。這就是后來(lái)人們想出了 MVVM 模式谐鼎,只要在模版中聲明視圖組件是和什么狀態(tài)進(jìn)行綁定的狸棍,雙向綁定引擎就會(huì)在狀態(tài)更新的時(shí)候自動(dòng)更新視圖(關(guān)于MV*模式的內(nèi)容草戈,可以看這篇介紹)唐片。
MVVM 可以很好的降低我們維護(hù)狀態(tài) -> 視圖的復(fù)雜程度(大大減少代碼中的視圖更新邏輯)费韭。但是這不是唯一的辦法抢埋,還有一個(gè)非常直觀的方法揪垄,可以大大降低視圖更新的操作:一旦狀態(tài)發(fā)生了變化逻翁,就用模版引擎重新渲染整個(gè)視圖酷愧,然后用新的視圖更換掉舊的視圖。就像上面的表格滴铅,當(dāng)用戶點(diǎn)擊的時(shí)候汉匙,還是在JS里面更新狀態(tài),但是頁(yè)面更新就不用手動(dòng)操作 DOM 了邦投,直接把整個(gè)表格用模版引擎重新渲染一遍屯援,然后設(shè)置一下innerHTML就完事了狞洋。
聽到這樣的做法庐橙,經(jīng)驗(yàn)豐富的你一定第一時(shí)間意識(shí)這樣的做法會(huì)導(dǎo)致很多的問題借嗽。最大的問題就是這樣做會(huì)很慢郁惜,因?yàn)榧词挂粋€(gè)小小的狀態(tài)變更都要重新構(gòu)造整棵 DOM兆蕉,性價(jià)比太低虎韵;而且這樣做的話包蓝,input和textarea的會(huì)失去原有的焦點(diǎn)测萎。最后的結(jié)論會(huì)是:對(duì)于局部的小視圖的更新,沒有問題(Backbone就是這么干的)恕汇;但是對(duì)于大型視圖枣接,如全局應(yīng)用狀態(tài)變更的時(shí)候但惶,需要更新頁(yè)面較多局部視圖的時(shí)候片拍,這樣的做法不可取妓肢。
但是這里要明白和記住這種做法碉钠,因?yàn)楹竺婺銜?huì)發(fā)現(xiàn)祝高,其實(shí) Virtual DOM 就是這么做的工闺,只是加了一些特別的步驟來(lái)避免了整棵 DOM 樹變更陆蟆。
另外一點(diǎn)需要注意的就是叠殷,上面提供的幾種方法,其實(shí)都在解決同一個(gè)問題:維護(hù)狀態(tài)稽亏,更新視圖胖腾。在一般的應(yīng)用當(dāng)中胸嘁,如果能夠很好方案來(lái)應(yīng)對(duì)這個(gè)問題,那么就幾乎降低了大部分復(fù)雜性群井。
3 Virtual DOM算法
DOM是很慢的。如果我們把一個(gè)簡(jiǎn)單的div元素的屬性都打印出來(lái),你會(huì)看到:
<figure>
<noscript></noscript>
</figure>
而這僅僅是第一層酵使。真正的 DOM 元素非常龐大焙糟,這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)就是這么設(shè)計(jì)的。而且操作它們的時(shí)候你要小心翼翼穿撮,輕微的觸碰可能就會(huì)導(dǎo)致頁(yè)面重排,這可是殺死性能的罪魁禍?zhǔn)住?/p>
相對(duì)于 DOM 對(duì)象悦穿,原生的 JavaScript 對(duì)象處理起來(lái)更快栗柒,而且更簡(jiǎn)單。DOM 樹上的結(jié)構(gòu)瞬沦、屬性信息我們都可以很容易地用 JavaScript 對(duì)象表示出來(lái):
var element = {
tagName: 'ul', // 節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽名
props: { // DOM的屬性,用一個(gè)對(duì)象存儲(chǔ)鍵值對(duì)
id: 'list'
},
children: [ // 該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)
{tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 1"]},
{tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 2"]},
{tagName: 'li', props: {class: 'item'}, children: ["Item 3"]},
]
}
上面對(duì)應(yīng)的HTML寫法是:
<ul id='list'>
<li class='item'>Item 1</li>
<li class='item'>Item 2</li>
<li class='item'>Item 3</li>
</ul>
既然原來(lái) DOM 樹的信息都可以用 JavaScript 對(duì)象來(lái)表示倦畅,反過來(lái),你就可以根據(jù)這個(gè)用 JavaScript 對(duì)象表示的樹結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建一棵真正的DOM樹叠赐。
之前的章節(jié)所說的,狀態(tài)變更->重新渲染整個(gè)視圖的方式可以稍微修改一下:用 JavaScript 對(duì)象表示 DOM 信息和結(jié)構(gòu)芭概,當(dāng)狀態(tài)變更的時(shí)候惩嘉,重新渲染這個(gè) JavaScript 的對(duì)象結(jié)構(gòu)罢洲。當(dāng)然這樣做其實(shí)沒什么卵用文黎,因?yàn)檎嬲捻?yè)面其實(shí)沒有改變。
但是可以用新渲染的對(duì)象樹去和舊的樹進(jìn)行對(duì)比耸峭,記錄這兩棵樹差異。記錄下來(lái)的不同就是我們需要對(duì)頁(yè)面真正的 DOM 操作劳闹,然后把它們應(yīng)用在真正的 DOM 樹上洽瞬,頁(yè)面就變更了业汰。這樣就可以做到:視圖的結(jié)構(gòu)確實(shí)是整個(gè)全新渲染了,但是最后操作DOM的時(shí)候確實(shí)只變更有不同的地方样漆。
這就是所謂的 Virtual DOM 算法。包括幾個(gè)步驟:
- 用 JavaScript 對(duì)象結(jié)構(gòu)表示 DOM 樹的結(jié)構(gòu)放祟;然后用這個(gè)樹構(gòu)建一個(gè)真正的 DOM 樹,插到文檔當(dāng)中
- 當(dāng)狀態(tài)變更的時(shí)候舞竿,重新構(gòu)造一棵新的對(duì)象樹。然后用新的樹和舊的樹進(jìn)行比較确徙,記錄兩棵樹差異
- 把2所記錄的差異應(yīng)用到步驟1所構(gòu)建的真正的DOM樹上,視圖就更新了
Virtual DOM 本質(zhì)上就是在 JS 和 DOM 之間做了一個(gè)緩存鄙皇⊙稣酰可以類比 CPU 和硬盤伴逸,既然硬盤這么慢膘壶,我們就在它們之間加個(gè)緩存:既然 DOM 這么慢,我們就在它們 JS 和 DOM 之間加個(gè)緩存颓芭。CPU(JS)只操作內(nèi)存(Virtual DOM),最后的時(shí)候再把變更寫入硬盤(DOM)亡问。
4 算法實(shí)現(xiàn)
4.1 步驟一:用JS對(duì)象模擬DOM樹
用 JavaScript 來(lái)表示一個(gè) DOM 節(jié)點(diǎn)是很簡(jiǎn)單的事情,你只需要記錄它的節(jié)點(diǎn)類型束世、屬性,還有子節(jié)點(diǎn):
element.js
function Element (tagName, props, children) {
this.tagName = tagName
this.props = props
this.children = children
}
module.exports = function (tagName, props, children) {
return new Element(tagName, props, children)
}
例如上面的 DOM 結(jié)構(gòu)就可以簡(jiǎn)單的表示:
var el = require('./element')
var ul = el('ul', {id: 'list'}, [
el('li', {class: 'item'}, ['Item 1']),
el('li', {class: 'item'}, ['Item 2']),
el('li', {class: 'item'}, ['Item 3'])
])
現(xiàn)在ul只是一個(gè) JavaScript 對(duì)象表示的 DOM 結(jié)構(gòu)毁涉,頁(yè)面上并沒有這個(gè)結(jié)構(gòu)笨枯。我們可以根據(jù)這個(gè)ul構(gòu)建真正的<ul>:
Element.prototype.render = function () {
var el = document.createElement(this.tagName) // 根據(jù)tagName構(gòu)建
var props = this.props
for (var propName in props) { // 設(shè)置節(jié)點(diǎn)的DOM屬性
var propValue = props[propName]
el.setAttribute(propName, propValue)
}
var children = this.children || []
children.forEach(function (child) {
var childEl = (child instanceof Element)
? child.render() // 如果子節(jié)點(diǎn)也是虛擬DOM,遞歸構(gòu)建DOM節(jié)點(diǎn)
: document.createTextNode(child) // 如果字符串馅精,只構(gòu)建文本節(jié)點(diǎn)
el.appendChild(childEl)
})
return el
}
render方法會(huì)根據(jù)tagName構(gòu)建一個(gè)真正的DOM節(jié)點(diǎn),然后設(shè)置這個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性洲敢,最后遞歸地把自己的子節(jié)點(diǎn)也構(gòu)建起來(lái)。所以只需要:
var ulRoot = ul.render()
document.body.appendChild(ulRoot)
上面的ulRoot是真正的DOM節(jié)點(diǎn)压彭,把它塞入文檔中,這樣body里面就有了真正的<ul>的DOM結(jié)構(gòu):
<ul id='list'>
<li class='item'>Item 1</li>
<li class='item'>Item 2</li>
<li class='item'>Item 3</li>
</ul>
完整代碼可見 element.js汗盘。
4.2 步驟二:比較兩棵虛擬DOM樹的差異
正如你所預(yù)料的,比較兩棵DOM樹的差異是 Virtual DOM 算法最核心的部分隐孽,這也是所謂的 Virtual DOM 的 diff 算法。兩個(gè)樹的完全的 diff 算法是一個(gè)時(shí)間復(fù)雜度為 O(n^3) 的問題菱阵。但是在前端當(dāng)中缩功,你很少會(huì)跨越層級(jí)地移動(dòng)DOM元素晴及。所以 Virtual DOM 只會(huì)對(duì)同一個(gè)層級(jí)的元素進(jìn)行對(duì)比:
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<noscript></noscript>
</figure>
上面的div只會(huì)和同一層級(jí)的div對(duì)比虑稼,第二層級(jí)的只會(huì)跟第二層級(jí)對(duì)比。這樣算法復(fù)雜度就可以達(dá)到 O(n)动雹。
4.2.1 深度優(yōu)先遍歷,記錄差異
在實(shí)際的代碼中胰蝠,會(huì)對(duì)新舊兩棵樹進(jìn)行一個(gè)深度優(yōu)先的遍歷震蒋,這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)有一個(gè)唯一的標(biāo)記:
<figure>
<noscript></noscript>
</figure>
在深度優(yōu)先遍歷的時(shí)候,每遍歷到一個(gè)節(jié)點(diǎn)就把該節(jié)點(diǎn)和新的的樹進(jìn)行對(duì)比查剖。如果有差異的話就記錄到一個(gè)對(duì)象里面。
// diff 函數(shù)笋庄,對(duì)比兩棵樹
function diff (oldTree, newTree) {
var index = 0 // 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志
var patches = {} // 用來(lái)記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)差異的對(duì)象
dfsWalk(oldTree, newTree, index, patches)
return patches
}
// 對(duì)兩棵樹進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷
function dfsWalk (oldNode, newNode, index, patches) {
// 對(duì)比oldNode和newNode的不同倔监,記錄下來(lái)
patches[index] = [...]
diffChildren(oldNode.children, newNode.children, index, patches)
}
// 遍歷子節(jié)點(diǎn)
function diffChildren (oldChildren, newChildren, index, patches) {
var leftNode = null
var currentNodeIndex = index
oldChildren.forEach(function (child, i) {
var newChild = newChildren[i]
currentNodeIndex = (leftNode && leftNode.count) // 計(jì)算節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)
? currentNodeIndex + leftNode.count + 1
: currentNodeIndex + 1
dfsWalk(child, newChild, currentNodeIndex, patches) // 深度遍歷子節(jié)點(diǎn)
leftNode = child
})
}
例如菌仁,上面的div和新的div有差異,當(dāng)前的標(biāo)記是0济丘,那么:
patches[0] = [{difference}, {difference}, ...] // 用數(shù)組存儲(chǔ)新舊節(jié)點(diǎn)的不同
同理p是patches[1],ul是patches[3]摹迷,類推。
4.2.2 差異類型
上面說的節(jié)點(diǎn)的差異指的是什么呢峡碉?對(duì) DOM 操作可能會(huì):
- 替換掉原來(lái)的節(jié)點(diǎn),例如把上面的div換成了section
- 移動(dòng)椅挣、刪除、新增子節(jié)點(diǎn)鼠证,例如上面div的子節(jié)點(diǎn)靠抑,把p和ul順序互換
- 修改了節(jié)點(diǎn)的屬性
- 對(duì)于文本節(jié)點(diǎn)量九,文本內(nèi)容可能會(huì)改變颂碧。例如修改上面的文本節(jié)點(diǎn)2內(nèi)容為Virtual DOM 2。
所以我們定義了幾種差異類型:
var REPLACE = 0
var REORDER = 1
var PROPS = 2
var TEXT = 3
對(duì)于節(jié)點(diǎn)替換载城,很簡(jiǎn)單。判斷新舊節(jié)點(diǎn)的tagName和是不是一樣的诉瓦,如果不一樣的說明需要替換掉。如div換成section睬澡,就記錄下:
patches[0] = [{
type: REPALCE,
node: newNode // el('section', props, children)
}]
如果給div新增了屬性id為container,就記錄下:
patches[0] = [{
type: REPALCE,
node: newNode // el('section', props, children)
}, {
type: PROPS,
props: {
id: "container"
}
}]
如果是文本節(jié)點(diǎn)煞聪,如上面的文本節(jié)點(diǎn)2,就記錄下:
patches[2] = [{
type: TEXT,
content: "Virtual DOM2"
}]
那如果把我div的子節(jié)點(diǎn)重新排序呢昔脯?例如p, ul, div的順序換成了div, p, ul笛臣。這個(gè)該怎么對(duì)比隧饼?如果按照同層級(jí)進(jìn)行順序?qū)Ρ鹊脑捝虮ぃ鼈兌紩?huì)被替換掉桑李。如p和div的tagName不同,p會(huì)被div所替代贵白。最終崩泡,三個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)被替換禁荒,這樣DOM開銷就非常大角撞。而實(shí)際上是不需要替換節(jié)點(diǎn)呛伴,而只需要經(jīng)過節(jié)點(diǎn)移動(dòng)就可以達(dá)到谒所,我們只需知道怎么進(jìn)行移動(dòng)热康。
這牽涉到兩個(gè)列表的對(duì)比算法劣领,需要另外起一個(gè)小節(jié)來(lái)討論。
4.2.3 列表對(duì)比算法
假設(shè)現(xiàn)在可以英文字母唯一地標(biāo)識(shí)每一個(gè)子節(jié)點(diǎn):
舊的節(jié)點(diǎn)順序:
a b c d e f g h i
現(xiàn)在對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了刪除尖淘、插入、移動(dòng)的操作村生。新增j節(jié)點(diǎn),刪除e節(jié)點(diǎn)趁桃,移動(dòng)h節(jié)點(diǎn):
新的節(jié)點(diǎn)順序:
a b c h d f g i j
現(xiàn)在知道了新舊的順序,求最小的插入卫病、刪除操作(移動(dòng)可以看成是刪除和插入操作的結(jié)合)。這個(gè)問題抽象出來(lái)其實(shí)是字符串的最小編輯距離問題(Edition Distance)忽肛,最常見的解決算法是 Levenshtein Distance,通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解屹逛,時(shí)間復(fù)雜度為 O(M * N)汛骂。但是我們并不需要真的達(dá)到最小的操作,我們只需要優(yōu)化一些比較常見的移動(dòng)情況帘瞭,犧牲一定DOM操作,讓算法時(shí)間復(fù)雜度達(dá)到線性的(O(max(M, N))蝶念。具體算法細(xì)節(jié)比較多,這里不累述媒殉,有興趣可以參考代碼。
我們能夠獲取到某個(gè)父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的操作廷蓉,就可以記錄下來(lái):
patches[0] = [{
type: REORDER,
moves: [{remove or insert}, {remove or insert}, ...]
}]
但是要注意的是,因?yàn)閠agName是可重復(fù)的桃犬,不能用這個(gè)來(lái)進(jìn)行對(duì)比。所以需要給子節(jié)點(diǎn)加上唯一標(biāo)識(shí)key攒暇,列表對(duì)比的時(shí)候,使用key進(jìn)行對(duì)比扯饶,這樣才能復(fù)用老的 DOM 樹上的節(jié)點(diǎn)。
這樣尾序,我們就可以通過深度優(yōu)先遍歷兩棵樹,每層的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比每币,記錄下每個(gè)節(jié)點(diǎn)的差異了。完整 diff 算法代碼可見 diff.js琢歇。
4.3 步驟三:把差異應(yīng)用到真正的DOM樹上
因?yàn)椴襟E一所構(gòu)建的 JavaScript 對(duì)象樹和render出來(lái)真正的DOM樹的信息、結(jié)構(gòu)是一樣的李茫。所以我們可以對(duì)那棵DOM樹也進(jìn)行深度優(yōu)先的遍歷,遍歷的時(shí)候從步驟二生成的patches對(duì)象中找出當(dāng)前遍歷的節(jié)點(diǎn)差異魄宏,然后進(jìn)行 DOM 操作。
function patch (node, patches) {
var walker = {index: 0}
dfsWalk(node, walker, patches)
}
function dfsWalk (node, walker, patches) {
var currentPatches = patches[walker.index] // 從patches拿出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的差異
var len = node.childNodes
? node.childNodes.length
: 0
for (var i = 0; i < len; i++) { // 深度遍歷子節(jié)點(diǎn)
var child = node.childNodes[i]
walker.index++
dfsWalk(child, walker, patches)
}
if (currentPatches) {
applyPatches(node, currentPatches) // 對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行DOM操作
}
}
applyPatches,根據(jù)不同類型的差異對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 DOM 操作:
function applyPatches (node, currentPatches) {
currentPatches.forEach(function (currentPatch) {
switch (currentPatch.type) {
case REPLACE:
node.parentNode.replaceChild(currentPatch.node.render(), node)
break
case REORDER:
reorderChildren(node, currentPatch.moves)
break
case PROPS:
setProps(node, currentPatch.props)
break
case TEXT:
node.textContent = currentPatch.content
break
default:
throw new Error('Unknown patch type ' + currentPatch.type)
}
})
}
完整代碼可見 patch.js椭坚。
5 結(jié)語(yǔ)
Virtual DOM 算法主要是實(shí)現(xiàn)上面步驟的三個(gè)函數(shù):element搏色,diff善茎,patch频轿。然后就可以實(shí)際的進(jìn)行使用:
// 1\. 構(gòu)建虛擬DOM
var tree = el('div', {'id': 'container'}, [
el('h1', {style: 'color: blue'}, ['simple virtal dom']),
el('p', ['Hello, virtual-dom']),
el('ul', [el('li')])
])
// 2\. 通過虛擬DOM構(gòu)建真正的DOM
var root = tree.render()
document.body.appendChild(root)
// 3\. 生成新的虛擬DOM
var newTree = el('div', {'id': 'container'}, [
el('h1', {style: 'color: red'}, ['simple virtal dom']),
el('p', ['Hello, virtual-dom']),
el('ul', [el('li'), el('li')])
])
// 4\. 比較兩棵虛擬DOM樹的不同
var patches = diff(tree, newTree)
// 5\. 在真正的DOM元素上應(yīng)用變更
patch(root, patches)
當(dāng)然這是非常粗糙的實(shí)踐,實(shí)際中還需要處理事件監(jiān)聽等航邢;生成虛擬 DOM 的時(shí)候也可以加入 JSX 語(yǔ)法。這些事情都做了的話翠忠,就可以構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單的ReactJS了乞榨。
本文所實(shí)現(xiàn)的完整代碼存放在 Github秽之,僅供學(xué)習(xí)吃既。
6 References
virtual-dom/diff.js at master · Matt-Esch/virtual-dom · GitHub