前端虚拟列表的实现前端虚拟列表的实现

实现思路
在讲解下面的内容之前，先对虚拟列表做一个简单的定义。
因为 DOM 元素的创建和渲染需要的时间成本很高，在大数据的情况下，完整渲染列表所需要的时间不可接收。其中一个解决思路就是在任何情况下只对「可见区域」进行渲染，可以达到极高的初次渲染性能。
虚拟列表指的就是「可视区域渲染」的列表，重要的基本就是两个概念：

可滚动区域：假设有 1000 条数据，每个列表项的高度是 30，那么可滚动的区域的高度就是 1000 * 30。当用户改变列表的滚动条的当前滚动值的时候，会造成可见区域的内容的变更。
可见区域：比如列表的高度是 300，右侧有纵向滚动条可以滚动，那么视觉可见的区域就是可见区域。

实现虚拟列表就是处理滚动条滚动后的可见区域的变更，其中具体步骤如下：

计算当前可见区域起始数据的 startIndex
计算当前可见区域结束数据的 endIndex
计算当前可见区域的数据，并渲染到页面中
计算 startIndex 对应的数据在整个列表中的偏移位置 startOffset，并设置到列表上

建议参考下图理解一下上面的步骤：

文章图片

最简单的例子这个章节会讲述如何把上面步骤变成代码，让这个逻辑在浏览器里真正的运行起来。
为了让这个例子足够简单，做了一个设定：每个列表项的高度都是 30px。在这个约定下，核心 JavaScript 代码不超过 10 行，但是可以完整的实现可见区域的渲染和更新。
我们首先要考虑的是虚拟列表的 HTML、CSS 如何实现，添加了这么几个样式：

列表元素（.list-view）使用相对定位
使用一个不可见元素（.list-view-phantom）撑起这个列表，让列表的滚动条出现
列表的可见元素（.list-view-content）使用绝对定位，left、right、top 设置为 0

CSS 代码如下：

.list-view { height: 400px; overflow: auto; position: relative; border: 1px solid #aaa; }.list-view-phantom { position: absolute; left: 0; top: 0; right: 0; z-index: -1; }.list-view-content { left: 0; right: 0; top: 0; position: absolute; }.list-view-item { padding: 5px; color: #666; line-height: 30px; box-sizing: border-box; }

HTML 代码如下（先忽略其中的事件、变量绑定）：

JavaScript 代码如下：

export default { name: 'ListView',props: { data: { type: Array, required: true },itemHeight: { type: Number, default: 30 } },computed: { contentHeight() { return this.data.length * this.itemHeight + 'px'; } },mounted() { this.updateVisibleData(); },data() { return { visibleData: [] }; },methods: { updateVisibleData(scrollTop) { scrollTop = scrollTop || 0; const visibleCount = Math.ceil(this.$el.clientHeight / this.itemHeight); const start = Math.floor(scrollTop / this.itemHeight); const end = start + visibleCount; this.visibleData = https://www.it610.com/article/this.data.slice(start, end); this.$refs.content.style.webkitTransform = `translate3d(0, ${ start * this.itemHeight }px, 0)`; },handleScroll() { const scrollTop = this.$el.scrollTop; this.updateVisibleData(scrollTop); } } }

渲染可见区域的数据是 Vue.js 完成的，使用的是 visibleData 这个数组中的元素
其中虚拟列表的更新逻辑是 updateVisibleData 这个方法，笔者对这个方法加了一些注释：

updateVisibleData(scrollTop) { scrollTop = scrollTop || 0; const visibleCount = Math.ceil(this.$el.clientHeight / this.itemHeight); // 取得可见区域的可见列表项数量 const start = Math.floor(scrollTop / this.itemHeight); // 取得可见区域的起始数据索引 const end = start + visibleCount; // 取得可见区域的结束数据索引 this.visibleData = https://www.it610.com/article/this.data.slice(start, end); // 计算出可见区域对应的数据，让 Vue.js 更新 this.$refs.content.style.webkitTransform = `translate3d(0, ${ start * this.itemHeight }px, 0)`; // 把可见区域的 top 设置为起始元素在整个列表中的位置（使用 transform 是为了更好的性能） }

为了让虚拟列表可以正确的出现滚动条，使用了 Vue.js 的计算属性 contentHeight 来计算滚动区域的真正高度

这个最简单的实现可以通过这里在线运行，建议对代码进行一些修改然后运行，加深对上文的理解。
去掉高度限制最简单实现中存在每个元素高度相同的限制，如果打破这个限制，代码该如何实现？
例子中使用了 itemHeight 属性来决定列表项的高度，有两个选择可以实现列表项的动态高度：

添加一个数组类型的 prop，每个列表项的高度通过索引来获得
添加一个获取列表项高度的方法，给这个方法传入 item 和 index ，返回对应列表项的高度

很明显第二种方案更灵活一点，所以增加了一个 itemSizeGetter 属性，用来获取每个列表项的高度。

增加 itemSizeGetter 属性，代码如下：

itemSizeGetter: { type: Function }

因为每一行的高度是不一样的，所以 contentHeight 的算法需要进行更新，更新后的代码如下：

contentHeight() { const { data, itemSizeGetter } = this; let total = 0; for (let i = 0, j = data.length; i < j; i++) { total += itemSizeGetter.call(null, data[i], i); } return total; }

上一个例子中，计算可是区域的起始索引和结束索引只需要使用 itemHeight 进行一些简单的计算。在这个例子里面，需要通过 scrollTop 来计算出这个位置的元素索引，所以增加了一个方法叫 findNearestItemIndex，实现代码如下：

findNearestItemIndex(scrollTop) { const { data, itemSizeGetter } = this; let total = 0; for (let i = 0, j = data.length; i < j; i++) { const size = itemSizeGetter.call(null, data[i], i); total += size; if (total >= scrollTop || i === j -1) { return i; } }return 0; }

同理，某个列表项在列表中的 top 之前也可以通过索引简单的计算出来，现在需要增加一个方法来计算，实现代码如下：

getItemSizeAndOffset(index) { const { data, itemSizeGetter } = this; let total = 0; for (let i = 0, j = Math.min(index, data.length - 1); i <= j; i++) { const size = itemSizeGetter.call(null, data[i], i); if (i === j) { return { offset: total, size }; } total += size; }return { offset: 0, size: 0 }; }

updateVisibleData 方法根据上面的修改做了一个简单的更新，代码如下：

updateVisibleData(scrollTop) { scrollTop = scrollTop || 0; const start = this.findNearestItemIndex(scrollTop); const end = this.findNearestItemIndex(scrollTop + this.$el.clientHeight); this.visibleData = https://www.it610.com/article/this.data.slice(start, Math.min(end + 1, this.data.length)); this.$refs.content.style.webkitTransform = `translate3d(0, ${ this.getItemSizeAndOffset(start).offset }px, 0)`; }

增加了 itemSizeGetter 的实现可以通过这里在线运行，你可以修改 itemSizeGetter 的返回值，看看是否能正常响应。
缓存计算结果虽然上个例子实现了列表项的动态高度，但是每个列表项目的尺寸、偏移计算没有任何缓存，在初次渲染、滚动更新时 itemSizeGetter 会被重复调用，性能并不理想。为了优这个性能，需要把尺寸、偏移信息进行一个缓存，在下次时候的时候直接从缓存中取得结果。
在常规情况下，用户的滚动是从顶部开始的，并且是连续的。可以采取一个非常简单的缓存策略，记录最后一次计算尺寸、偏移的 index 。

把这个变量叫做 lastMeasuredIndex，默认值为 -1；存储缓存结果的变量叫做 sizeAndOffsetCahce，类型为对象，实现代码如下：

data() { return { lastMeasuredIndex: -1, startIndex: 0, sizeAndOffsetCahce: {}, ... }; }

缓存列表项高度的计算结果主要是修改 getItemSizeAndOffset 这个方法，增加缓存后的代码如下：

getItemSizeAndOffset(index) { const { lastMeasuredIndex, sizeAndOffsetCahce, data, itemSizeGetter } = this; if (lastMeasuredIndex >= index) { return sizeAndOffsetCahce[index]; } let offset = 0; if (lastMeasuredIndex >= 0) { const lastMeasured = sizeAndOffsetCahce[lastMeasuredIndex]; if (lastMeasured) { offset = lastMeasured.offset + lastMeasured.size; } } for (let i = lastMeasuredIndex + 1; i <= index; i++) { const item = data[i]; const size = itemSizeGetter.call(null, item, i); sizeAndOffsetCahce[i] = { size, offset }; offset += size; } if (index > lastMeasuredIndex) { this.lastMeasuredIndex = index; } return sizeAndOffsetCahce[index]; }

findNearestItemIndex 方法中的还在使用 itemSizeGetter 来获取元素大小，我们在这里可以修改成使用 getItemSizeAndOffset 来获取，修改后的代码如下：

findNearestItemIndex(scrollTop) { const { data, itemSizeGetter } = this; let total = 0; for (let i = 0, j = data.length; i < j; i++) { const size = this.getItemSizeAndOffset(i).size; // ... }return 0; }

使用了缓存之后的代码可以点击这里在线运行，如果觉得性能并没有明显的改进，可以把数组的大小改成 20000 或者 50000 试试。
优化 contentHeight 的计算如果你给 itemSizeGetter 加入一行 console.log，你会发现初次渲染的时候 contentHeight 会在第一次把所有列表项的 itemSizeGetter 执行一遍。
为了解决这个问题，需要引入另外一个属性 estimatedItemSize。这个属性的含义是为那些还没计算高度的元素进行一个预估，那么 contentHeight 就等于缓存过的列表项的高度和 + 未缓存过的列表项的数量 * estimatedItemSize。

首先需要为组件增加这个属性，默认值为 30，代码如下：

estimatedItemSize: { type: Number, default: 30 }

因为需要得知计算过高度的列表项的高度和，需要增加方法 getLastMeasuredSizeAndOffset，代码如下：

getLastMeasuredSizeAndOffset() { return this.lastMeasuredIndex >= 0 ? this.sizeAndOffsetCahce[this.lastMeasuredIndex] : { offset: 0, size: 0 }; }

根据上面的算法修改后的代码如下：

contentHeight() { const { data, lastMeasuredIndex, estimatedItemSize } = this; let itemCount = data.length; if (lastMeasuredIndex >= 0) { const lastMeasuredSizeAndOffset = this.getLastMeasuredSizeAndOffset(); return lastMeasuredSizeAndOffset.offset + lastMeasuredSizeAndOffset.size + (itemCount - 1 - lastMeasuredIndex) * estimatedItemSize; } else { return itemCount * estimatedItemSize; } }

优化过 contentHeight 的实现可以通过这里在线运行，你可以为 itemSizeGetter 属性增加 console.log，来查看 itemSizeGetter 是如何运行的。
优化已缓存结果的搜索性能使用过缓存的虚拟列表实际上还有优化的空间，比如 findNearestItemIndex 的搜索方式是顺序查找的，时间复杂度为 O(N)。实际上列表项的计算结果天然就是一个有序的数组，可以使用二分查找来优化已缓存的结果的搜索性能，把时间复杂度降低到 O(lgN) 。

为组件增加 binarySearch 方法，代码如下：

binarySearch(low, high, offset) { let index; while (low <= high) { const middle = Math.floor((low + high) / 2); const middleOffset = this.getItemSizeAndOffset(middle).offset; if (middleOffset === offset) { index = middle; break; } else if (middleOffset > offset) { high = middle - 1; } else { low = middle + 1; } }if (low > 0) { index = low - 1; }if (typeof index === 'undefined') { index = 0; }return index; }

这个二分查找和普通的二分查找略有不同，区别在于在任何情况下都不会返回 -1，可以思考下为什么这个逻辑会是这样。

修改 findNearestItemIndex 方法，对于已缓存的结果使用二分查找，代码如下：

findNearestItemIndex(scrollTop) { const { data, itemSizeGetter } = this; const lastMeasuredOffset = this.getLastMeasuredSizeAndOffset().offset; if (lastMeasuredOffset > scrollTop) { return this.binarySearch(0, this.lastMeasuredIndex, scrollTop); } else { // ... }return 0; }

使用了二分查找的实现可以通过这里在线运行，从效果上来讲和上个例子是没有区别的。
优化未缓存结果的搜索性能未缓存过的结果的搜索依然是顺序搜索的，对于未缓存过的结果的搜索优化有两个思路：

一次查找多条的数量，一个合理的数值是 contentHeight / estimatedSize ，找到超过自己查找结果的 index，然后使用二分查找
按指数数量查找，比如 1、2、4、8、16、32… 的顺序来查找范围，然后使用二分查找

笔者选择了第二种方式，这个搜索算法的名称为 Exponential Search，这个算法的搜索过程可以参考下图：

文章图片

增加 exponentialSearch 方法，代码如下：

exponentialSearch(scrollTop) { let bound = 1; const data = https://www.it610.com/article/this.data; const start = this.lastMeasuredIndex>= 0 ? this.lastMeasuredIndex : 0; while (start + bound < data.length && this.getItemSizeAndOffset(start + bound).offset < scrollTop) { bound = bound * 2; } return this.binarySearch(start + Math.floor(bound / 2), Math.min(start + bound, data.length), scrollTop); }

这个算法与标准的 Exponential Search 也略有不同，主要的区别是不会从头进行搜索，会从 lastMeasuredIndex 的位置开始搜索。

修改 findNearestItemIndex 方法，代码如下：

findNearestItemIndex(scrollTop) { const { data, itemSizeGetter } = this; const lastMeasuredOffset = this.getLastMeasuredSizeAndOffset().offset; if (lastMeasuredOffset > scrollTop) { return this.binarySearch(0, this.lastMeasuredIndex, scrollTop); } else { return this.exponentialSearch(scrollTop); } }

优化后的实现可以通过这里在线运行，可以为代码中加一下 console.log 观察搜索的执行流程。
参考资料在写这篇文章的过程中，笔者参考了很多的开源项目，也参考了很多的文章，对我帮助比较大的有以下这些：
写在最后如果你有意了解如何实现一个虚拟列表，希望这篇文章能对你有所帮助。
对于一个静态数据的虚拟列表，可以做的优化基本上这篇文章已经介绍了。如果你对这个主题依然很有兴趣，可以尝试为虚拟列表增加这么两个功能：