知乎热议的 Vue3 Ref 语法糖，实现原理是啥？
The following article is from Code center Author 五柳
彩蛋
近期尤雨溪在知乎回答了一个 Vue3 Ref 相关的问题，题主觉得 Vue3 的 ref() 语法比较冗余，访问和修改的时候都需要对 .value 去操作，想要删掉它。而尤雨溪则是提出用 $ref 语法糖来解决 ，评论区的小伙伴对尤雨溪表示深切的认可，并且给他开出了 10k + 五险一金的诱人待遇，相信尤雨溪在那一刻也是感受到了前所未有的心动。
前言
近期，Vue3 提了一个 Ref Sugar 的 RFC[1]，即 ref 语法糖，目前还处理实验性的（Experimental）阶段。在 RFC 的动机（Motivation）中，Evan You 介绍到在 Composition API 引入后，一个主要未解决的问题是 refs 和 reactive 对象的使用。而到处使用 .value 可能会很麻烦，如果在没使用类型系统的情况下，也会很容易错过：
let count = ref(1)
function add() {
count.value++
}
所以，一些用户会更倾向于只使用 reactive，这样就不用处理使用 refs 的 .value 问题。而 ref 语法糖的作用是让我们在使用 ref 创建响应式的变量时，可以直接获取和更改变量本身，而不是使用 .value 来获取和更改对应的值。简单的说，站在使用层面，我们可以告别原先使用 refs 时的 .value 问题：
let count = $ref(1)
function add() {
count++
}
那么，ref 语法糖目前要怎么在项目中使用？它又是怎么实现的？这是我第一眼看到这个 RFC 建立的疑问，相信这也是很多同学持有的疑问。所以，下面让我们来一一揭晓。
1 Ref 语法糖在项目中的使用
由于 ref 语法糖目前还处于实验性的（Experimental）阶段，所以在 Vue3 中不会默认支持 ref 语法糖。那么，这里我们以使用 Vite + Vue3 项目开发为例，看一下如何开启对 ref 语法糖的支持。
在使用 Vite + Vue3 项目开发时，是由 @vitejs/plugin-vue 插件来实现对 .vue 文件的代码转换（Transform）、热更新（HMR）处理等。所以，我们需要在 vite.config.js 中给 @vitejs/plugin-vue 插件的选项（Options）传入 refTransform: true：
// vite.config.js
import { defineConfig } from 'vite'
import vue from '@vitejs/plugin-vue'
export default defineConfig({
plugins: [vue({
refTransform: true
})]
})
那么，这样一来 @vitejs/plugin-vue 插件内部会根据传入的选项中 refTransform 的值判断是否需要对 ref 语法糖进行特定的代码转换。由于，这里我们设置的是 true，显然它是会对 ref 语法糖执行特定的代码转换。
接着，我们就可以在 .vue 文件中使用 ref 语法糖，这里我们看一个简单的例子：
<template>
<div>{{count}}</div>
<button @click="add">click me</button>
</template>
<script setup>
let count = $ref(1)
function add() {
count++
}
</script>
对应渲染到页面上：
可以看到，我们可以使用 ref 语法糖的方式创建响应式的变量，而不用思考使用的时候要加 .value 的问题。此外，ref 语法糖还支持其他的写法，个人比较推荐的是这里介绍的 $ref 的方式，有兴趣的同学可以去 RFC 上了解其他的写法。
那么，在了解完 ref 语法糖在项目中的使用后，我们算是解答了第一个疑问（怎么在项目中使用）。下面，我们来解答第二个疑问，它又是怎么实现的，也就是在源码中做了哪些处理？
2 Ref 语法糖的实现
首先，我们通过 Vue Playground[2] 来直观地感受一下，前面使用 ref 语法糖的例子中的 <script setup> 块（Block）在编译后的结果：
import { ref as _ref } from 'vue'
const __sfc__ = {
setup(__props) {
let count = _ref(1)
function add() {
count.value++
}
}
可以看到，虽然我们在使用 ref 语法糖的时候不需要处理 .value，但是它经过编译后仍然是使用的 .value。那么，这个过程肯定不难免要做很多编译相关的代码转换处理。因为，我们需要找到使用 $ref 的声明语句和变量，给前者重写为 _ref、给后者添加 .value。
而在前面，我们也提及 @vitejs/plugin-vue 插件会对 .vue 文件进行代码的转换，这个过程则是使用的 Vue3 提供的 @vue/compiler-sfc 包（Package），它分别提供了对 <script>、<template>、<style> 等块的编译相关的函数。
那么，显然这里我们需要关注的是 <script> 块编译相关的函数，这对应的是 @vue/compiler-sfc 中的 compileScript() 函数。
2.1 compileScript() 函数
compileScript() 函数定义在 vue-next 的 packages/compiler-sfc/src/compileScript.ts 文件中，它主要负责对 <script> 或 <script setup> 块内容的编译处理，它会接收 2 个参数：
sfc包含.vue文件的代码被解析后的内容，例如script、scriptSetup、source等属性options包含一些可选和必须的属性，例如组件对应的scopeId会作为options.id、前面提及的refTransform等
compileScript() 函数的定义（伪代码）：
// packages/compiler-sfc/src/compileScript.ts
export function compileScript(
sfc: SFCDescriptor,
options: SFCScriptCompileOptions
): SFCScriptBlock {
// ...
return {
...script,
content,
map,
bindings,
scriptAst: scriptAst.body
}
}
对于 ref 语法糖而言，compileScript() 函数首先会获取选项（Option）中 refTransform 的值，并赋值给 enableRefTransform：
const enableRefTransform = !!options.refTransform
enableRefTransform 则会用于之后判断是否要调用 ref 语法糖相关的转换函数。那么，前面我们也提及要使用 ref 语法糖，需要先给 @vite/plugin-vue 插件选项的 refTransform 属性设置为 true，它会被传入 compileScript() 函数的 options，也就是这里的 options.refTransform。
接着，会从 sfc 中解构出 scriptSetup、source、filename 等属性。其中，会先用源文件的代码字符串 source 创建一个 MagicString 实例 s，它主要会用于后续代码转换时对源代码字符串进行替换、添加等操作，然后会调用 parse() 函数来解析 <script setup> 的内容，即 scriptSetup.content，从而生成对应的抽象语法树 scriptSetupAst：
let { script, scriptSetup, source, filename } = sfc
const s = new MagicString(source)
const startOffset = scriptSetup.loc.start.offset
const scriptSetupAst = parse(
scriptSetup.content,
{
plugins: [
...plugins,
'topLevelAwait'
],
sourceType: 'module'
},
startOffset
)
而 parse() 函数内部则是使用的 @babel/parser 提供的 parser 方法进行代码的解析并生成对应的 AST。对于上面我们这个例子，生成的 AST 会是这样：
{
body: [ {...}, {...} ],
directives: [],
end: 50,
interpreter: null,
loc: {
start: {...},
end: {...},
filename: undefined,
identifierName: undefined
},
sourceType: 'module',
start: 0,
type: 'Program'
}
注意，这里省略了
body、start、end中的内容
然后，会根据前面定义的 enableRefTransform 和调用 shouldTransformRef() 函数的返回值（true 或 false）来判断是否进行 ref 语法糖的代码转换。如果，需要进行相应的转换，则会调用 transformRefAST() 函数来根据 AST 来进行相应的代码转换操作：
if (enableRefTransform && shouldTransformRef(scriptSetup.content)) {
const { rootVars, importedHelpers } = transformRefAST(
scriptSetupAst,
s,
startOffset,
refBindings
)
}
在前面，我们已经介绍过了 enableRefTransform。这里我们来看一下 shouldTransformRef() 函数，它主要是通过正则匹配代码内容 scriptSetup.content 来判断是否使用了 ref 语法糖：
// packages/ref-transform/src/refTransform.ts
const transformCheckRE = /[^\w]\$(?:\$|ref|computed|shallowRef)?\(/
export function shouldTransform(src: string): boolean {
return transformCheckRE.test(src)
}
所以，当你指定了 refTransform 为 true，但是你代码中实际并没有使用到 ref 语法糖，则在编译 <script> 或 <script setup> 的过程中也不会执行和 ref 语法糖相关的代码转换操作，这也是 Vue3 考虑比较细致的地方，避免了不必要的代码转换操作带来性能上的开销。
那么，对于我们这个例子而言（使用了 ref 语法糖），则会命中上面的 transformRefAST() 函数。而 transformRefAST() 函数则对应的是 packages/ref-transform/src/refTransform.ts 中的 transformAST() 函数。
所以，下面我们来看一下 transformAST() 函数是如何根据 AST 来对 ref 语法糖相关代码进行转换操作的。
2.2 transformAST() 函数
在 transformAST() 函数中主要是会遍历传入的源代码对应的 AST，然后通过操作源代码字符串生成的 MagicString 实例 s 来对源代码进行特定的转换，例如重写 $ref 为 _ref、添加 .value 等。
transformAST() 函数的定义（伪代码）：
// packages/ref-transform/src/refTransform.ts
export function transformAST(
ast: Program,
s: MagicString,
offset: number = 0,
knownRootVars?: string[]
): {
// ...
walkScope(ast)
(walk as any)(ast, {
enter(node: Node, parent?: Node) {
if (
node.type === 'Identifier' &&
isReferencedIdentifier(node, parent!, parentStack) &&
!excludedIds.has(node)
) {
let i = scopeStack.length
while (i--) {
if (checkRefId(scopeStack[i], node, parent!, parentStack)) {
return
}
}
}
}
})
return {
rootVars: Object.keys(rootScope).filter(key => rootScope[key]),
importedHelpers: [...importedHelpers]
}
}
可以看到 transformAST() 会先调用 walkScope() 来处理根作用域（root scope），然后调用 walk() 函数逐层地处理 AST 节点，而这里的 walk() 函数则是使用的 Rich Haris 写的 estree-walker[3]。
下面，我们来分别看一下 walkScope() 和 walk() 函数做了什么。
walkScope() 函数
首先，这里我们先来看一下前面使用 ref 语法糖的声明语句 let count = $ref(1) 对应的 AST 结构：
可以看到 let 的 AST 节点类型 type 会是 VariableDeclaration，其余的代码部分对应的 AST 节点则会被放在 declarations 中。其中，变量 count 的 AST 节点会被作为 declarations.id ，而 $ref(1) 的 AST 节点会被作为 declarations.init。
那么，回到 walkScope() 函数，它会根据 AST 节点的类型 type 进行特定的处理，对于我们这个例子 let 对应的 AST 节点 type 为 VariableDeclaration 会命中这样的逻辑：
function walkScope(node: Program | BlockStatement) {
for (const stmt of node.body) {
if (stmt.type === 'VariableDeclaration') {
for (const decl of stmt.declarations) {
let toVarCall
if (
decl.init &&
decl.init.type === 'CallExpression' &&
decl.init.callee.type === 'Identifier' &&
(toVarCall = isToVarCall(decl.init.callee.name))
) {
processRefDeclaration(
toVarCall,
decl.init as CallExpression,
decl.id,
stmt
)
}
}
}
}
}
这里的 stmt 则是 let 对应的 AST 节点，然后会遍历 stmt.declarations，其中 decl.init.callee.name 指的是 $ref，接着是调用 isToVarCall() 函数并赋值给 toVarCall。
isToVarCall() 函数的定义：
// packages/ref-transform/src/refTransform.ts
const TO_VAR_SYMBOL = '$'
const shorthands = ['ref', 'computed', 'shallowRef']
function isToVarCall(callee: string): string | false {
if (callee === TO_VAR_SYMBOL) {
return TO_VAR_SYMBOL
}
if (callee[0] === TO_VAR_SYMBOL && shorthands.includes(callee.slice(1))) {
return callee
}
return false
}
在前面我们也提及 ref 语法糖可以支持其他写法，由于我们使用的是 $ref 的方式，所以这里会命中 callee[0] === TO_VAR_SYMBOL && shorthands.includes(callee.slice(1)) 的逻辑，即 toVarCall 会被赋值为 $ref。
然后，会调用 processRefDeclaration() 函数，它会根据传入的 decl.init 提供的位置信息来对源代码对应的 MagicString 实例 s 进行操作，即将 $ref 重写为 ref：
// packages/ref-transform/src/refTransform.ts
function processRefDeclaration(
method: string,
call: CallExpression,
id: VariableDeclarator['id'],
statement: VariableDeclaration
) {
// ...
if (id.type === 'Identifier') {
registerRefBinding(id)
s.overwrite(
call.start! + offset,
call.start! + method.length + offset,
helper(method.slice(1))
)
}
// ...
}
位置信息指的是该 AST 节点在源代码中的位置，通常会用
start、end表示，例如这里的let count = $ref(1)，那么count对应的 AST 节点的start会是 4、end会是 9。
因为，此时传入的 id 对应的是 count 的 AST 节点，它会是这样：
{
type: "Identifier",
start: 4,
end: 9,
name: "count"
}
所以，这会命中上面的 id.type === 'Identifier' 的逻辑。首先，会调用 registerRefBinding() 函数，它实际上是调用的是 registerBinding()，而 registerBinding 会在当前作用域 currentScope 上绑定该变量 id.name 并设置为 true ，它表示这是一个用 ref 语法糖创建的变量，这会用于后续判断是否给某个变量添加 .value：
const registerRefBinding = (id: Identifier) => registerBinding(id, true)
function registerBinding(id: Identifier, isRef = false) {
excludedIds.add(id)
if (currentScope) {
currentScope[id.name] = isRef
} else {
error(
'registerBinding called without active scope, something is wrong.',
id
)
}
}
可以看到，在 registerBinding() 中还会给 excludedIds 中添加该 AST 节点，而 excludeIds 它是一个 WeekMap，它会用于后续跳过不需要进行 ref 语法糖处理的类型为 Identifier 的 AST 节点。
然后，会调用 s.overwrite() 函数来将 $ref 重写为 _ref，它会接收 3 个参数，分别是重写的起始位置、结束位置以及要重写为的字符串。而 call 则对应着 $ref(1) 的 AST 节点，它会是这样：
{
type: "Identifier",
start: 12,
end: 19,
callee: {...}
arguments: {...},
optional: false
}
并且，我想大家应该注意到了在计算重写的起始位置的时候用到了 offset，它代表着此时操作的字符串在源字符串中的偏移位置，例如该字符串在源字符串中的开始，那么偏移量则会是 0。
而 helper() 函数则会返回字符串 _ref，并且在这个过程会将 ref 添加到 importedHelpers 中，这会在 compileScript() 时用于生成对应的 import 语句：
function helper(msg: string) {
importedHelpers.add(msg)
return `_${msg}`
}
那么，到这里就完成了对 $ref 到 _ref 的重写，也就是此时我们代码的会是这样：
let count = _ref(1)
function add() {
count++
}
接着，则是通过 walk() 函数来将 count++ 转换成 count.value++。下面，我们来看一下 walk() 函数。
walk() 函数
前面，我们提及 walk() 函数使用的是 Rich Haris 写的 estree-walker，它是一个用于遍历符合 ESTree[4] 规范的 AST 包（Package）。
walk() 函数使用起来会是这样：
import { walk } from 'estree-walker'
walk(ast, {
enter(node, parent, prop, index) {
// ...
},
leave(node, parent, prop, index) {
// ...
}
});
可以看到，walk() 函数中可以传入 options，其中 enter() 在每次访问 AST 节点的时候会被调用，leave() 则是在离开 AST 节点的时候被调用。
那么，回到前面提到的这个例子，walk() 函数主要做了这 2 件事：
1.维护 scopeStack、parentStack 和 currentScope
scopeStack 用于存放此时 AST 节点所处的作用域链，初始情况下栈顶为根作用域 rootScope；parentStack 用于存放遍历 AST 节点过程中的祖先 AST 节点（栈顶的 AST 节点是当前 AST 节点的父亲 AST 节点）；currentScope 指向当前的作用域，初始情况下等于根作用域 rootScope：
const scopeStack: Scope[] = [rootScope]
const parentStack: Node[] = []
let currentScope: Scope = rootScope
所以，在 enter() 的阶段会判断此时 AST 节点类型是否为函数、块，是则入栈 scopeStack：
parent && parentStack.push(parent)
if (isFunctionType(node)) {
scopeStack.push((currentScope = {}))
// ...
return
}
if (node.type === 'BlockStatement' && !isFunctionType(parent!)) {
scopeStack.push((currentScope = {}))
// ...
return
}
然后，在 leave() 的阶段判断此时 AST 节点类型是否为函数、块，是则出栈 scopeStack，并且更新 currentScope 为出栈后的 scopeStack 的栈顶元素：
parent && parentStack.pop()
if (
(node.type === 'BlockStatement' && !isFunctionType(parent!)) ||
isFunctionType(node)
) {
scopeStack.pop()
currentScope = scopeStack[scopeStack.length - 1] || null
}
2.处理 Identifier 类型的 AST 节点
由于，在我们的例子中 ref 语法糖创建 count 变量的 AST 节点类型是 Identifier，所以这会在 enter() 阶段命中这样的逻辑：
if (
node.type === 'Identifier' &&
isReferencedIdentifier(node, parent!, parentStack) &&
!excludedIds.has(node)
) {
let i = scopeStack.length
while (i--) {
if (checkRefId(scopeStack[i], node, parent!, parentStack)) {
return
}
}
}
在 if 的判断中，对于 excludedIds 我们在前面已经介绍过了，而 isReferencedIdentifier() 则是通过 parenStack 来判断当前类型为 Identifier 的 AST 节点 node 是否是一个引用了这之前的某个 AST 节点。
然后，再通过访问 scopeStack 来沿着作用域链来判断是否某个作用域中有 id.name（变量名 count）属性以及属性值为 true，这代表它是一个使用 ref 语法糖创建的变量，最后则会通过操作 s（s.appendLeft）来给该变量添加 .value：
function checkRefId(
scope: Scope,
id: Identifier,
parent: Node,
parentStack: Node[]
): boolean {
if (id.name in scope) {
if (scope[id.name]) {
// ...
s.appendLeft(id.end! + offset, '.value')
}
return true
}
return false
}
结语
通过了解 ref 语法糖的实现，我想大家应该会对语法糖这个术语会有不一样的理解，它的本质是在编译阶段通过遍历 AST 来操作特定的代码转换操作。并且，这个实现过程的一些工具包（Package）的使用也是非常巧妙的，例如 MagicString 操作源代码字符串、estree-walker 遍历 AST 节点和作用域相关的处理等。
最后，如果文中存在表达不当或错误的地方，欢迎各位同学提 Issue ～
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参考资料
Ref Sugar 的 RFC: https://github.com/vuejs/rfcs/discussions/369
[2]Vue Playground: https://sfc.vuejs.org/#eyJBcHAudnVlIjoiXG48dGVtcGxhdGU+XG5cdDxkaXY+e3tjb3VudH19PC9kaXY+XG5cdDxidXR0b24gQGNsaWNrPVwiYWRkXCI+Y2xpY2sgbWU8L2J1dHRvbj5cbjwvdGVtcGxhdGU+XG5cbjxzY3JpcHQgc2V0dXA+XG5sZXQgY291bnQgPSAkcmVmKDEpXG5cbmZ1bmN0aW9uIGFkZCgpIHtcblx0Y291bnQrK1xufVxuPC9zY3JpcHQ+In0=
[3]estree-walker: https://github.com/Rich-Harris/estree-walker
[4]ESTree: https://hexdocs.pm/estree/ESTree.html
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