浅谈 React Fiber 的协调过程：从任务调度到 DOM 更新

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2023年09月05日 19:08 · 阅读数 34

前言

在现代前端开发中，React 已经成为了构建用户界面的主要工具之一。而其中的 Fiber 架构更是为 React 在性能、交互性和扩展性方面带来了显著的提升。React Fiber 是 React 库的核心调度算法，它负责管理组件的更新、虚拟 DOM 的构建以及最终 DOM 的更新。

相关概念

1. 纯函数

在 JavaScript 中，纯函数是指具有以下两个主要特点的函数：

输入决定输出： 对于给定的相同输入，纯函数总是产生相同的输出，不受外部环境的影响。这意味着函数的行为完全由其输入决定，不会受到全局状态、外部变量的变化等因素影响。

无副作用： 纯函数不会对外部环境产生任何可观察的影响，即不会修改全局变量、改变传入的参数或执行与计算结果无关的操作，比如网络请求、文件读写等。

下面是一个简单的例子来说明纯函数的概念：

// 纯函数示例
function add(a, b) {
  return a + b;
}

// 不是纯函数示例
let total = 0;
function addToTotal(number) {
  total += number;
}

在上述示例中，add 函数是纯函数，因为它的输出完全由输入决定，且没有副作用。然而，addToTotal 函数不是纯函数，它会修改外部状态 total。

2. 副作用

副作用是指函数或代码块对函数范围之外的状态产生的影响，这种影响可以是数据的变化、状态的改变、外部资源的访问、IO 操作等。副作用违背了纯函数的特性。

简单来说，副作用是函数内部对函数外部环境造成的改变。这可能包括：

改变外部变量的值： 当函数改变函数外部声明的变量或对象的值时，就产生了副作用。

修改数据结构： 在函数内部改变传入的数据结构（如数组、对象等）也是副作用。

IO 操作： 包括从文件系统、网络等读写数据的操作，因为这会影响到外部环境。

异常抛出： 函数抛出异常也是一种副作用，它会影响程序的正常执行流程。

状态改变： 当函数修改某些状态或标志，使得程序的行为或输出发生变化时，产生了副作用。

函数式编程的目标之一是尽量减少副作用，通过将副作用隔离在特定的部分（比如在单独的函数中处理副作用）或使用纯函数来实现。

3. 代数效应

"代数效应"（Algebraic Effects）是函数编程中的一种概念，尤其在 React Fiber 架构中有所体现，代数效应的一个主要目标是将副作用从函数逻辑中分离，以保持函数的关注点纯粹。

假设我们有一个简单的函数，它从服务器获取用户数据并进行处理。我们可以使用代数效应的概念来将副作用（网络请求）与纯函数逻辑分开。

// 网络请求
function fetchData() {
  return new Promise((resolve) => {
    setTimeout(() => {
      resolve({ data: 'Some data from the API' });
    }, 1000);
  });
}

// 应用逻辑
async function fetchDataAndDisplay() {
  try {
    const data = await fetchData();
    console.log('Data:', data.data);
    // 在这里可以对数据进行任何处理，而无需担心异步操作。
  } catch (error) {
    console.error('Error:', error);
  }
}

4. React Fiber

Fiber 即纤程，与进程（Process）、线程（Thread）、协程（Coroutine）同为程序执行过程。在 JS 中，协程的实现是 Generator，纤程的实现是 Fiber，他们也是代数效应在 JS 中的体现。React Fiber 可以理解为在 React 内部实现的一套状态更新机制。支持任务不同优先级，可中断与恢复，并且恢复后可以复用之前的中间状态。

React Fiber 结构

React Fiber 树是一种表示 React 组件层次结构和更新过程的数据结构。它是 React Fiber 架构的核心部分，用于实现增量渲染、优先级调度和可中断恢复等特性。尽管 Fiber 树不是直观可见的，但我们可以通过一个简化的示例来说明其结构。

假设我们有以下 React 组件树：

<App>
  <Header />
  <Main>
    <Sidebar />
    <Content />
  </Main>
</App>

在 React Fiber 中，这个组件树会被表示成一个 Fiber 树，大致如下所示：

  App
  |
  Header
  |
  Main
  /    \
Sidebar  Content

在这个示例中，每个组件对应一个 Fiber 节点。树的结构反映了组件之间的层次关系。这些 Fiber 节点包含了组件的状态、属性、子节点等信息，以及用于任务调度和更新的额外信息。

React Fiber 使用这个树结构来实现以下目标：

增量渲染： React Fiber 可以将渲染工作划分为小的任务单元，可以在每个任务之间进行绘制。这个树结构有助于确定哪些任务应该被执行，以及如何构建和更新虚拟 DOM 树。

优先级调度： 每个 Fiber 节点都包含有关任务优先级的信息，这使得 React Fiber 能够根据任务的重要性来决定执行顺序。

可中断恢复： Fiber 树的结构和信息允许 React Fiber 在渲染过程中中断任务，并在之后恢复，以支持异步渲染、服务端渲染和 Suspense 等特性。

需要注意的是，实际的 Fiber 树要比上面的示例复杂得多，包含大量的额外信息来支持任务调度和状态管理。但这个简化示例可以帮助理解 React Fiber 树的基本结构和作用。

调度策略

React Fiber 使用一种协作式的任务调度策略，它将任务拆分成小的单元，可以在不同的优先级下进行调度。这使得 React 能够更好地响应用户交互、优化性能，并确保页面渲染的平滑进行。

下面我们将详细解释 React Fiber 是如何进行任务调度的，同时给出一些示例代码和结构展示。

1. 任务单元和工作单元

在 React Fiber 中，任务被分解为一系列小的单元，每个单元被称为工作单元（Work Unit）。这些工作单元通常对应于组件的更新或渲染任务。React 将这些工作单元组织成一个任务队列。

以下是一个简化的工作单元结构的示例：

const workUnit = {
  type: 'updateState',
  payload: { key: 'count', value: 42 },
  callback: null,
  next: null,
};

在这个示例中，workUnit 表示一个要执行的任务，类型是更新状态（updateState），要更新的状态键值对是 { key: 'count', value: 42 }。callback 是任务完成后要执行的回调函数。

2. 调度器和任务队列

React Fiber 使用一个调度器来管理任务队列。调度器会根据任务的优先级来决定下一个要执行的工作单元。通常，优先级较高的任务（例如用户交互）会被优先执行。

以下是一个简化的调度器示例：

const scheduler = {
  queue: [], // 任务队列
  scheduleWork(workUnit, priority) {
    // 将工作单元加入任务队列，根据优先级排序
    // ...
  },
  performWork() {
    // 执行任务队列中的工作单元
    // ...
  },
};

调度器的 scheduleWork 方法用于将工作单元加入任务队列，并根据优先级排序。performWork 方法用于执行任务队列中的工作单元。

3. 协作式调度

React Fiber 使用协作式调度，意味着任务执行过程中可以主动让出控制权，以便执行其他任务。这是 react 通过 hack requestIdleCallback 和 requestAnimationFrame 等浏览器 API 来实现的。

以下是一个简化的协作式调度示例：

function performWork(workUnit) {
  // 执行工作单元
  // ...

  // 检查是否需要让出控制权
  if (shouldYield()) {
    requestIdleCallback(performWork);
  }
}

在这个示例中，shouldYield 函数用于检查是否需要让出控制权。如果浏览器有空闲时间，requestIdleCallback 将调用 performWork 函数以执行下一个工作单元。

综合上述示例，React Fiber 的任务调度过程可以被简化为以下步骤：

将工作单元加入任务队列，根据优先级排序。
执行任务队列中的工作单元，如果需要让出控制权，使用协作式调度机制。
检查任务队列是否还有待执行的工作单元，如果有则返回步骤2，否则结束任务调度。

DOM 更新

React Fiber 通过协调阶段（Reconciliation Phase）和提交阶段（Commit Phase）的组合来实现 DOM 更新。协调阶段负责找出需要更新的部分并构建更新队列，而提交阶段负责将这些更新应用到实际的 DOM 上。以下是 React Fiber 如何进行 DOM 更新的详细过程：

1. 协调阶段（Reconciliation Phase）

协调阶段是 React Fiber 中更新的第一阶段，它负责确定哪些组件需要更新，以及如何更新。协调阶段的核心任务是比较新旧虚拟 DOM 树，找出需要变更的部分。

a. 新旧虚拟 DOM 对比

React Fiber 会递归遍历新旧虚拟 DOM 树，比较它们之间的差异。这个过程通常被称为 "Diffing"。比较的规则包括：

组件类型是否相同。
组件的属性是否相同。
子节点是否相同。

通过比较，React Fiber 构建了一个更新队列，其中包含了需要进行更新的操作，包括新增、删除、更新等。

b. Fiber 节点的标记

在协调阶段，React Fiber 还会在 Fiber 节点上打上标记，表示这个节点需要进行更新。这些标记包括：

Placement（新增）：表示需要在 DOM 中创建新的元素。
Update（更新）：表示需要更新现有的元素。
Deletion（删除）：表示需要从 DOM 中删除元素。

2. 提交阶段（Commit Phase）

提交阶段是 React Fiber 中更新的第二阶段，它负责将更新队列中的操作应用到实际的 DOM 上，确保用户看到正确的界面。

a. 执行 DOM 操作

在提交阶段，React Fiber 会遍历更新队列，执行相应的 DOM 操作，包括创建新元素、更新属性、删除元素等。这些操作是同步执行的，确保更新按照正确的顺序被应用。

b. 副作用处理

在执行 DOM 操作的同时，React Fiber 会处理一些副作用（Side Effects），这些副作用可能包括：

执行组件的生命周期方法（componentDidMount、componentDidUpdate、componentWillUnmount）。
触发钩子函数，如 useEffect 和 useLayoutEffect。
执行更新队列中的回调函数。

React Fiber 使用一种双缓冲（Double Buffering）的机制来记录这些副作用，以确保在渲染过程中不会产生不一致的结果。

c. 清理工作

一旦提交阶段完成，React Fiber 会清理工作，包括重置 Fiber 节点的状态、清空更新队列等。

总结

了解 React Fiber 的工作原理有助于我们更好地优化应用的性能和用户交互。本文简单的分析了 React Fiber 是如何调度 js 任务和渲染任务，如何管理组件更新，以及如何确保页面渲染的顺序和正确性。