Анализ методов обновления DOM в современных веб-фреймворках: Virtual DOM и Incremental DOM

Бондаренко Олеся Сергеевна ORCID: 0009-0003-5477-6947 магистр; Факультет программной инженерии и компьютерной техники; федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО». 195299, Россия, г. Санкт-Петербург, Калининский р-н, пр-кт Просвещения, д. 99 Bondarenko Olesya Sergeevna Master's degree; Faculty of Software Engineering and Computer Technology; Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education 'ITMO National Research University'. 195299, Russia, St. Petersburg, Kalininsky district, Prospekt Prosveshcheniya, 99 rancerenly@gmail.com

Введение

В современном веб-разработке критически важно обеспечение высокой производительности и отзывчивости интерфейса. Усиливающаяся динамичность данных, масштабируемость приложений и сложность управления состоянием требуют от инструментов разработки инновационных решений для работы с DOM – основной структурой любой веб-страницы. Фреймворк Angular отличается уникальным подходом: вместо использования Virtual DOM, как в React и Vue, он применяет механизм обнаружения изменений, который в последних версиях (v17+) дополняется поддержкой сигналов (signals). Именно эти инновационные решения позволяют создавать быстро работающие и предсказуемые интерфейсы.

Актуальность исследования обосновывается развитием фронтенд-разработки. Постоянное развитие технологий требует обновления подходов к рендерингу интерфейсов. Использование сигналов и инкрементального обновления DOM является важным этапом на пути повышения интерактивности и масштабируемости веб-приложений.

Целью данной статьи является рассмотреть методы взаимодействия с DOM в Angular, выделить отличия от Virtual DOM-решений (как в React и Vue), описать основные процессы рендеринга и выполнения инструкций обновления, а также показать преимущества реактивного программирования в Angular.

Механизм обнаружения изменений

Одной из ключевых особенностей Angular является использование собственного механизма обнаружения изменений (Change Detection), который обеспечивает эффективную синхронизацию состояния компонентов с отображаемым в браузере DOM. В отличие от таких фреймворков, как React или Vue, которые опираются на концепцию Virtual DOM и используют алгоритмы диффинга, Angular применяет иной подход: он отслеживает изменения в данных и напрямую обновляет только те части DOM, которые действительно нуждаются в этом. Такой способ минимизирует избыточные действия и позволяет добиться высокой производительности, особенно в сложных и масштабируемых приложениях.^[6]

Механизм Change Detection работает по следующему принципу. Каждый компонент в Angular связан с моделью данных и шаблоном (template), отображающим эту модель. Когда происходит изменение данных — будь то изменение переменной, результат выполнения асинхронной операции или взаимодействие с пользователем — Angular инициирует проверку, чтобы определить, какие именно данные были изменены, и какие части DOM следует обновить. Это и есть процесс, называемый «dirty checking» — проверка «загрязнённости» или устаревания данных в компоненте.^[7]

Во время этого процесса Angular последовательно проходит по дереву компонентов, начиная с корневого, и проверяет каждое свойство, связанное с шаблоном. Если фреймворк обнаруживает расхождение между текущим значением свойства и его предыдущим значением, он запускает процедуру обновления соответствующего элемента в DOM. Такой подход гарантирует актуальность отображаемой информации при любых изменениях, происходящих в приложении.

Особенности dirty checking

Важно отметить, что в Angular процесс dirty checking не полагается на прямое сравнение старого и нового дерева, как это происходит в Virtual DOM. Вместо этого Angular опирается на заранее известные связи между данными и шаблоном, определённые во время компиляции компонента. Благодаря этому фреймворк может обходить только те участки дерева, где потенциально могли произойти изменения, тем самым экономя ресурсы.

Поскольку Angular отслеживает изменения в каждом компоненте и их зависимостях, он способен эффективно обновлять интерфейс даже в очень больших приложениях. Однако важно правильно организовать логику компонентов, чтобы избежать избыточных вызовов Change Detection и непреднамеренных рендеров. Например, если компонент использует тяжёлые вычисления в шаблоне, они могут выполняться повторно при каждом проходе Change Detection, что негативно скажется на производительности.

Angular традиционно использует библиотеку Zone.js для автоматического триггера процесса Change Detection при возникновении асинхронных событий — таких как таймеры, HTTP-запросы или события DOM. Эта библиотека патчит стандартные API браузера (например, setTimeout, Promise) таким образом, что Angular узнаёт, когда завершилась асинхронная операция, и автоматически инициирует проверку на изменения.^[10]

Такой подход удобен, поскольку позволяет разработчику не думать о вручную вызовах обновления интерфейса. Однако использование Zone.js может приводить к избыточному количеству запусков Change Detection, особенно в приложениях с интенсивным взаимодействием с пользователем или большим количеством асинхронных событий.

Для повышения эффективности Angular предоставляет механизм стратегий обнаружения изменений. По умолчанию Angular использует стратегию Default, при которой проверяется весь компонент при любом изменении. Однако, при указании стратегии ChangeDetectionStrategy.OnPush, Angular будет обновлять компонент только в случае, если изменился один из его входных параметров (@Input) или произошло событие внутри компонента.

Кроме того, начиная с версии 17, Angular предлагает использовать сигналы (signals) как новый реактивный механизм работы с состоянием. Сигналы позволяют явно описывать зависимости данных, а также автоматически инициировать обновление только в тех местах, где действительно произошли изменения. Это делает процесс Change Detection более предсказуемым и гранулярным. ^[7] Вместе с функцией effect() сигналы позволяют создавать логически связанные реакции на изменение состояния, не затрагивая лишние компоненты или шаблоны.

С выходом версии 17 был введён принцип работы с сигналами. Сигналы – это реактивные переменные, обновление которых происходит в автоматически отслеживаемом контексте. Это позволяет избавиться от громоздких подписок и ручного управления состоянием. Основные преимущества сигналов таковы:

Автоматическое отслеживание изменений. Функция effect() регистрирует блоки кода, реагирующие на изменения сигнала, что упрощает реализацию логики обновления.

Простота и предсказуемость. Применяя сигналы, разработчик получает компактный и легко понимаемый код, где все изменения в данных немедленно отражаются в DOM.

Оптимизация производительности. Благодаря точечному обновлению DOM обновляются только те элементы, данные которых изменились, что минимизирует избыточные операции и ускоряет рендеринг.

Рассмотрим базовый подход применения сигналов в Angular на рисунке 1:

Рисунок 1 — Использование Input-сигнала в Angular

В этом примере реализован компонент ExampleInputComponent, который ожидает входной параметр exampleInput типа string, в шаблоне выводится текст «Введенный текст: %переданный текст в компонент%». Родительский компонент PlaygroundComponent импортирует дочерний и определяет его в своем шаблоне, передавая туда текст «Привет, мир!».

Результат выполнения представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 — Демонстрация работы сигналов

Реактивное программирование: сигналы, computed и effect

С появлением сигналов разработчики получают инструмент для создания реактивных переменных, значения которых можно легко отслеживать и изменять. Сигналы значительно упрощают управление состоянием: при изменении данных автоматически запускается обновление зависимых частей интерфейса. Это повышает предсказуемость кода и сокращает вероятность возникновения ошибок.

Пример использования сигналов приведён выше в компоненте ExampleInputComponent. Такой подход устраняет необходимость управления подписками вручную и позволяет Angular самостоятельно контролировать обновления.

Вычисляемые значения с computed()

Помимо сигналов Angular предлагает функцию computed(), которая позволяет создавать вычисляемые значения на основе нескольких сигналов. Это удобно для агрегации или преобразования данных без дублирования логики. Рассмотрим пример:

Рисунок 3 — Использование сигнала в effect

В данном примере функция effect() автоматически реагирует на изменения сигнала count и выводит новое значение в консоль. Такой подход устраняет необходимость явно подписываться на изменения и позволяет фреймворку самостоятельно управлять обновлением значений.

При клике видим изменения значения.

Рисунок 4 — Демонстрация работы на сайте

Использование computed для производных значений

Помимо сигналов Angular предлагает использовать функцию computed(), позволяющую создавать вычисляемые значения на основе других сигналов. Данный метод позволяет агрегировать или преобразовывать данные, минимизируя дублирование логики и повышая читаемость кода. Пример использования computed():

Рисунок 5 — Функция computed для выполнения манипуляций со значением

В этом примере любое изменение в сигналах firstName или lastName автоматически приведет к пересчету fullName, а следовательно, и к обновлению представления.

Сравнениеподходов: Virtual DOM vs Incremental DOM

Virtual DOM — это концепция, применяемая в React и Vue, при которой создается виртуальное представление текущего состояния реального DOM. При изменении данных формируется новая версия виртуального дерева, после чего выполняется сравнительный (диффинг) анализ с предыдущей версией, что позволяет выявить минимальный набор изменений.^[1] Затем, только обнаруженные отличия применяются к реальному DOM. Такой подход обеспечивает оптимизацию обновлений, поскольку изменяются лишь необходимые части интерфейса, а также абстрагирует сложность работы с DOM, избавляя разработчика от необходимости вручную управлять изменениями.^[4][5] Однако постоянное создание и сравнение виртуальных деревьев требует дополнительных вычислительных ресурсов, что может стать проблемой при работе с большими и сложными интерфейсами.

В отличие от этого, Angular использует принцип инкрементального обновления DOM. Здесь нет необходимости создавать виртуальную копию: фреймворк напрямую анализирует, какие свойства изменились, и обновляет только соответствующие элементы. Главное преимущество данного подхода заключается в прямом обновлении элементов, так как Angular, анализируя структуру приложения, обновляет только изменившиеся участки DOM. ^[2]При этом происходит компиляция шаблонов, когда на этапе сборки исходные шаблоны преобразуются в высокопроизводительный код с набором готовых инструкций для обновления DOM, а использование сигналов позволяет точно определить зависимости, обновляя только те узлы, которые действительно изменились, что значительно снижает количество лишних проверок.^[6][3]

Процесс рендеринга в Angular включает несколько этапов. Сначала происходит компиляция шаблонов, когда исходный код преобразуется в набор инструкций для обновления DOM. Затем Angular выполняет проверку изменений посредством механизма Change Detection, что позволяет определить, какие части интерфейса нуждаются в обновлении. После этого применяется инкрементальное обновление: обновляются лишь измененные узлы, что способствует экономии ресурсов. Наконец, сгенерированные инструкции обновляют атрибуты, стили, классы и события, гарантируя корректное и эффективное обновление интерфейса.^[8]

Таким образом, использование Virtual DOM позволяет оптимизировать обновления за счет изменения только необходимых частей, однако требует дополнительных вычислительных затрат на создание и сравнение виртуальных деревьев. Angular же достигает высокой эффективности путем непосредственного анализа изменений и обновления DOM «на лету», что исключает необходимость в создании виртуальной копии и существенно снижает нагрузку на систему.

Таблица 1 — Сравнение Incremental DOM и Virtual DOM

Будущие направления развития Angular

В будущих версиях Angular планируется дальнейшее использование сигналов для управления изменениями, что позволит отказаться от Zone.js – библиотеки, автоматизирующей обнаружение изменений, но создающей накладные расходы. Переход к полному ручному управлению рендерингом с применением сигналов может сделать приложения ещё более оптимизированными и предсказуемыми.

Реактивное программирование становится основой современной разработки. В будущем Angular вероятно расширит функционал для работы с потоками данных, улучшит интеграцию с асинхронными процессами и упростит создание вычисляемых значений. Это позволит разработчикам писать более декларативный и масштабируемый код.

Заключение

Angular предлагает уникальный подход к работе с DOM, основанный на механизме обнаружения изменений и использовании сигналов. Вместо создания виртуального представления, как в React или Vue, Angular напрямую обновляет только изменившиеся участки интерфейса. Такой инкрементальный подход, в сочетании с компиляцией шаблонов и заранее сгенерированными инструкциями, обеспечивает высокую производительность, минимальные затраты на обновление и прозрачное управление состоянием приложения.

Применение реактивных сигналов, функций effect() и computed(), а также использование сервисов вроде Renderer2 позволяют создавать безопасные, масштабируемые приложения, отвечающие требованиям современного веб-разработчика.

Таким образом, современный подход Angular к обновлению DOM не только способствует повышению производительности и удобству отладки, но и открывает новые возможности для оптимизации работы сложных и динамичных веб-приложений. Продолжая эволюцию в направлении полной интеграции реактивного программирования и отказа от традиционных методов, Angular остаётся мощным инструментом в арсенале разработчиков, позволяющим создавать быстрые и отзывчивые решения для удовлетворения растущих потребностей рынка.