JavaScript虚拟列表实现高性能渲染数据详解

前言

在实际开发场景中，部分业务需求要求列表数据无法采用分页加载，这类列表通常被称为长列表。以外汇交易系统为例，前端需实时展示用户的持仓状态（包括收益、亏损、手数等指标），此类场景下用户持仓列表通常不支持分页操作。

在《高性能渲染十万条数据(时间分片)》一文中，曾提及利用时间分片技术处理长列表渲染，但该方案更适用于列表项DOM结构极其简单的场景。本文将重点介绍通过虚拟列表技术实现大量数据的同时加载与高效渲染。

为什么需要使用虚拟列表

假设长列表需展示10000条记录，若将全部10000条记录直接渲染至页面，我们先来评估其耗时情况：

<button id="button">button</button><br>
<ul id="container"></ul>

document.getElementById('button').addEventListener('click',function(){
    // 记录任务开始时间
    let now = Date.now();
    // 插入一万条数据
    const total = 10000;
    // 获取容器
    let ul = document.getElementById('container');
    // 将数据插入容器中
    for (let i = 0; i < total; i++) {
        let li = document.createElement('li');
        li.innerText = ~~(Math.random() * total)
        ul.appendChild(li);
    }
    console.log('JS运行时间：',Date.now() - now);
    setTimeout(()=>{
      console.log('总运行时间：',Date.now() - now);
    },0)
    // print JS运行时间： 38
    // print 总运行时间： 957 
  })

点击按钮后，页面会一次性插入一万条记录。通过控制台输出统计，JS执行耗时约38ms，但渲染完成后的总耗时高达957ms。

以下简要说明两次console.log结果时间差异巨大的原因，以及如何简单统计JS运行时间与总渲染时间：

在JS的Event Loop机制中，仅当JS引擎管理执行栈中的事件及所有微任务全部执行完毕后，渲染线程才会介入页面渲染。
第一个console.log在页面渲染前触发，此时获取的时间间隔即为JS运行所需时间。
第二个console.log置于setTimeout中，其触发时机为渲染完成后、下一次Event Loop执行时。

关于Event Loop的详细内容请参见这篇文章-->JS进阶之从多线程到Event Loop全面梳理

随后，通过Chrome的Performance工具深入分析这段代码的性能瓶颈所在：

从Performance可以看出，代码从执行到渲染结束，共消耗了960.8ms,其中的主要时间消耗如下：

Event(click) : 40.84ms
Recalculate Style : 105.08ms
Layout : 731.56ms
Update Layer Tree : 58.87ms
Paint : 15.32ms

由此可知，代码执行过程中耗时最多的两个阶段是Recalculate Style和Layout。

Recalculate Style：样式计算，浏览器根据css选择器计算哪些元素应该应用哪些规则，确定每个元素具体的样式。
Layout：布局，知道元素应用哪些规则之后，浏览器开始计算它要占据的空间大小及其在屏幕的位置。

在实际工作中，列表项绝非仅由单个li标签构成，必然包含复杂的DOM节点结构。

因此可以推断，当列表项数量庞大且结构复杂时，同时渲染会在Recalculate Style和Layout阶段消耗大量时间。

虚拟列表正是解决这一问题的有效实现方案。

什么是虚拟列表

虚拟列表本质上是一种按需显示的实现方式，即仅对可见区域进行渲染，对非可见区域中的数据不渲染或部分渲染，从而实现极高的渲染性能。

假设有1万条记录需同时渲染，屏幕的可见区域的高度为500px,而列表项的高度为50px，此时屏幕中最多仅能显示10个列表项。因此，在首次渲染时，只需加载10条数据即可。

完成首次加载后，进一步分析滚动发生时的情况：通过计算当前滚动值，可确定此时在屏幕可见区域应显示的列表项。

假设滚动发生，滚动条距顶部的位置为150px,则可得知在可见区域内的列表项为第4项至`第13项。

实现

虚拟列表的实现核心在于：首屏加载时仅加载可视区域内的列表项；滚动发生时，通过动态计算获取可视区域内的列表项，并移除非可视区域内存在的列表项。

计算当前可视区域起始数据索引(startIndex)
计算当前可视区域结束数据索引(endIndex)
计算当前可视区域的数据，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

由于仅对可视区域内的列表项进行渲染，为保持列表容器高度并正常触发滚动，Html结构设计如下：

<div class="infinite-list-container">
    <div class="infinite-list-phantom"></div>
    <div class="infinite-list">
      <!-- item-1 -->
      <!-- item-2 -->
      <!-- ...... -->
      <!-- item-n -->
    </div>
</div>

infinite-list-container 为可视区域的容器
infinite-list-phantom 为容器内的占位，高度为总列表高度，用于形成滚动条
infinite-list 为列表项的渲染区域

接着，监听infinite-list-container的scroll事件，获取滚动位置scrollTop

假定可视区域高度固定，称之为screenHeight
假定列表每项高度固定，称之为itemSize
假定列表数据称之为listData
假定当前滚动位置称之为scrollTop

则可推算出：

列表总高度listHeight = listData.length * itemSize
可显示的列表项数visibleCount = Math.ceil(screenHeight / itemSize)
数据的起始索引startIndex = Math.floor(scrollTop / itemSize)
数据的结束索引endIndex = startIndex + visibleCount
列表显示数据为visibleData = listData.slice(startIndex,endIndex)

滚动后，由于渲染区域相对于可视区域已发生偏移，此时需获取一个偏移量startOffset，通过样式控制将渲染区域偏移至可视区域中。

偏移量startOffset = scrollTop - (scrollTop % itemSize);

最终的简易代码如下：

<template>
  <div ref="list" class="infinite-list-container" @scroll="scrollEvent($event)">
    <div class="infinite-list-phantom" :style="{ height: listHeight + 'px' }"></div>
    <div class="infinite-list" :style="{ transform: getTransform }">
      <div ref="items"
        class="infinite-list-item"
        v-for="item in visibleData"
        :key="item.id"
        :style="{ height: itemSize + 'px',lineHeight: itemSize + 'px' }"
      >{{ item.value }}</div>
    </div>
  </div>
</template>

export default {
  name:'VirtualList',
  props: {
    //所有列表数据
    listData:{
      type:Array,
      default:()=>[]
    },
    //每项高度
    itemSize: {
      type: Number,
      default:200
    }
  },
  computed:{
    //列表总高度
    listHeight(){
      return this.listData.length * this.itemSize;
    },
    //可显示的列表项数
    visibleCount(){
      return Math.ceil(this.screenHeight / this.itemSize)
    },
    //偏移量对应的style
    getTransform(){
      return `translate3d(0,${this.startOffset}px,0)`;
    },
    //获取真实显示列表数据
    visibleData(){
      return this.listData.slice(this.start, Math.min(this.end,this.listData.length));
    }
  },
  mounted() {
    this.screenHeight = this.$el.clientHeight;
    this.start = 0;
    this.end = this.start + this.visibleCount;
  },
  data() {
    return {
      //可视区域高度
      screenHeight:0,
      //偏移量
      startOffset:0,
      //起始索引
      start:0,
      //结束索引
      end:null,
    };
  },
  methods: {
    scrollEvent() {
      //当前滚动位置
      let scrollTop = this.$refs.list.scrollTop;
      //此时的开始索引
      this.start = Math.floor(scrollTop / this.itemSize);
      //此时的结束索引
      this.end = this.start + this.visibleCount;
      //此时的偏移量
      this.startOffset = scrollTop - (scrollTop % this.itemSize);
    }
  }
};

点击查看在线DEMO及完整代码

最终效果如下：

列表项动态高度

前述实现中，列表项高度固定，因此可轻松获取列表项整体高度及滚动时的显示数据与对应偏移量。实际应用中，若列表包含文本等可变内容，列表项高度将各不相同。

例如出现以下情况：

在虚拟列表中应用动态高度的解决方案通常有以下三种：

1.对组件属性itemSize进行扩展，支持传递类型为数字、数组、函数

可以是一个固定值，如 100，此时列表项是固高的
可以是一个包含所有列表项高度的数据，如 [50, 20, 100, 80, ...]
可以是一个根据列表项索引返回其高度的函数：(index: number): number

该方式虽具备较高灵活性，但仅适用于可预先知道或通过计算得知列表项高度的场景，仍无法解决列表项高度由内容撑开的情况。

2.将列表项渲染到屏幕外，对其高度进行测量并缓存，然后再将其渲染至可视区域内。

由于需先渲染至屏幕外再渲染至屏幕内，导致渲染成本增加一倍，这对于数百万用户在低端移动设备上使用的产品而言并不切实际。

3.以预估高度先行渲染，然后获取真实高度并缓存。

这是本人选择的实现方式，可有效避免前两种方案的不足。

接下来，来看如何简易的实现：

定义组件属性estimatedItemSize,用于接收预估高度

props: {
  //预估高度
  estimatedItemSize:{
    type:Number
  }
}

定义positions，用于列表项渲染后存储每一项的高度以及位置信息，

this.positions = [
  // {
  //   top:0,
  //   bottom:100,
  //   height:100
  // }
];

并在初始时根据estimatedItemSize对positions进行初始化。

initPositions(){
  this.positions = this.listData.map((item,index)=>{
    return {
      index,
      height:this.estimatedItemSize,
      top:index * this.estimatedItemSize,
      bottom:(index + 1) * this.estimatedItemSize
    }
  })
}

由于列表项高度不定，且我们维护了positions以记录每一项的位置，而列表高度实际等于列表中最后一项的底部距离列表顶部的位置。

//列表总高度
listHeight(){
  return this.positions[this.positions.length - 1].bottom;
}

因需在渲染完成后获取列表每项的位置信息并缓存，故使用钩子函数updated来实现：

updated(){
  let nodes = this.$refs.items;
  nodes.forEach((node)=>{
    let rect = node.getBoundingClientRect();
    let height = rect.height;
    let index = +node.id.slice(1)
    let oldHeight = this.positions[index].height;
    let dValue = oldHeight - height;
    //存在差值
    if(dValue){
      this.positions[index].bottom = this.positions[index].bottom - dValue;
      this.positions[index].height = height;
      for(let k = index + 1;k<this.positions.length; k++){
        this.positions[k].top = this.positions[k-1].bottom;
        this.positions[k].bottom = this.positions[k].bottom - dValue;
      }
    }
  })
}

滚动后获取列表开始索引的方法修改为通过缓存获取：

//获取列表起始索引
getStartIndex(scrollTop = 0){
  let item = this.positions.find(i => i && i.bottom > scrollTop);
  return item.index;
}

由于缓存数据本身有序，获取开始索引的方法可考虑通过二分查找的方式以降低检索次数：

//获取列表起始索引
getStartIndex(scrollTop = 0){
  //二分法查找
  return this.binarySearch(this.positions,scrollTop)
},
//二分法查找
binarySearch(list,value){
  let start = 0;
  let end = list.length - 1;
  let tempIndex = null;
  while(start <= end){
    let midIndex = parseInt((start + end)/2);
    let midValue = list[midIndex].bottom;
    if(midValue === value){
      return midIndex + 1;
    }else if(midValue < value){
      start = midIndex + 1;
    }else if(midValue > value){
      if(tempIndex === null || tempIndex > midIndex){
        tempIndex = midIndex;
      }
      end = end - 1;
    }
  }
  return tempIndex;
},

滚动后将偏移量的获取方式变更：

scrollEvent() {
  //...省略
  if(this.start >= 1){
    this.startOffset = this.positions[this.start - 1].bottom
  }else{
    this.startOffset = 0;
  }
}

通过faker.js 来创建一些随机数据

let data = [];
for (let id = 0; id < 10000; id++) {
  data.push({
    id,
    value: faker.lorem.sentences() // 长文本
  })
}

点击查看在线DEMO及完整代码

最终效果如下：

从演示效果看，我们实现了基于文字内容动态撑高列表项情况下的虚拟列表，但可能会发现，当滚动过快时，会出现短暂的白屏现象。

为使页面平滑滚动，还需在可见区域的上方和下方渲染额外项目，在滚动时给予一些缓冲，因此将屏幕分为三个区域：

可视区域上方：above
可视区域：screen
可视区域下方：below

定义组件属性bufferScale,用于接收缓冲区数据与可视区数据的比例

props: {
  //缓冲区比例
  bufferScale:{
    type:Number,
    default:1
  }
}

可视区上方渲染条数aboveCount获取方式如下：

aboveCount(){
  return Math.min(this.start,this.bufferScale * this.visibleCount)
}

可视区下方渲染条数belowCount获取方式如下：

belowCount(){
  return Math.min(this.listData.length - this.end,this.bufferScale * this.visibleCount);
}

真实渲染数据visibleData获取方式如下：

visibleData(){
  let start = this.start - this.aboveCount;
  let end = this.end + this.belowCount;
  return this._listData.slice(start, end);
}

点击查看在线DEMO及完整代码

最终效果如下：

基于此方案，本人开发了一个基于Vue2.x的虚拟列表组件：vue-virtual-listview,可点击查看完整代码。

面向未来

前文通过监听scroll事件触发可视区域数据更新。滚动发生时，scroll事件会频繁触发，常导致重复计算，从性能角度看无疑存在浪费。

可使用IntersectionObserver替换监听scroll事件，IntersectionObserver可以监听目标元素是否出现在可视区域内，在监听的回调事件中执行可视区域数据的更新，并且IntersectionObserver的监听回调是异步触发，不随着目标元素的滚动而触发，性能消耗极低。

遗留问题

虽已实现根据列表项动态高度下的虚拟列表，但若列表项包含图片且高度由图片撑开，因图片会发送网络请求，无法保证获取列表项真实高度时图片是否已加载完成，从而导致计算不准确。

此种情况下，若能监听列表项的大小变化即可获取其真正高度。可使用ResizeObserver来监听列表项内容区域的高度改变，从而实时获取每一列表项的高度。

不过遗憾的是，在撰写本文时，仅有少数浏览器支持ResizeObserver。

以上就是JavaScript利用虚拟列表实现高性能渲染数据详解的详细内容，更多关于JavaScript渲染数据的资料请关注本站其它相关文章！

JavaScript虚拟列表高性能渲染数据详解

前言

为什么需要使用虚拟列表

什么是虚拟列表

实现

列表项动态高度

面向未来

遗留问题

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