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前端工程师的自我修养:React Fiber 是如何实现更新过程可控的

2020-12-28 发布于 · 阅读量:1955

前言

从 React 16 开始,React 采用了 Fiber 机制替代了原先基于原生执行栈递归遍历 VDOM 的方案,提高了页面渲染性能和用户体验。乍一听 Fiber 好像挺神秘,在原生执行栈都还没搞懂的情况下,又整出个 Fiber,还能不能愉快的写代码了。别慌,老铁!下面就来唠唠关于 Fiber 那点事儿。

什么是 Fiber

Fiber 的英文含义是“纤维”,它是比线程(Thread)更细的线,比线程(Thread)控制得更精密的执行模型。在广义计算机科学概念中,Fiber 又是一种协作的(Cooperative)编程模型,帮助开发者用一种【既模块化又协作化】的方式来编排代码。

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简单点说,Fiber 就是 React 16 实现的一套新的更新机制,让 React 的更新过程变得可控,避免了之前一竿子递归到底影响性能的做法。

关于 Fiber 你需要知道的基础知识

1 浏览器刷新率(帧)

页面的内容都是一帧一帧绘制出来的,浏览器刷新率代表浏览器一秒绘制多少帧。目前浏览器大多是 60Hz(60帧/s),每一帧耗时也就是在 16ms 左右。原则上说 1s 内绘制的帧数也多,画面表现就也细腻。那么在这一帧的(16ms) 过程中浏览器又干了啥呢?

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通过上面这张图可以清楚的知道,浏览器一帧会经过下面这几个过程:

  1. 接受输入事件
  2. 执行事件回调
  3. 开始一帧
  4. 执行 RAF (RequestAnimationFrame)
  5. 页面布局,样式计算
  6. 渲染
  7. 执行 RIC (RequestIdelCallback)

第七步的 RIC 事件不是每一帧结束都会执行,只有在一帧的 16ms 中做完了前面 6 件事儿且还有剩余时间,才会执行。这里提一下,如果一帧执行结束后还有时间执行 RIC 事件,那么下一帧需要在事件执行结束才能继续渲染,所以 RIC 执行不要超过 30ms,如果长时间不将控制权交还给浏览器,会影响下一帧的渲染,导致页面出现卡顿和事件响应不及时。

2. JS 原生执行栈

React Fiber 出现之前,React 通过原生执行栈递归遍历 VDOM。当浏览器引擎第一次遇到 JS 代码时,会产生一个全局执行上下文并将其压入执行栈,接下来每遇到一个函数调用,又会往栈中压入一个新的上下文。比如:

function A(){
  B();
  C();
}
function B(){}
function C(){}
A();

引擎在执行的时候,会形成如下这样的执行栈: 图片

浏览器引擎会从执行栈的顶端开始执行,执行完毕就弹出当前执行上下文,开始执行下一个函数,直到执行栈被清空才会停止。然后将执行权交还给浏览器。由于 React 将页面视图视作一个个函数执行的结果。每一个页面往往由多个视图组成,这就意味着多个函数的调用。

如果一个页面足够复杂,形成的函数调用栈就会很深。每一次更新,执行栈需要一次性执行完成,中途不能干其他的事儿,只能"一心一意"。结合前面提到的浏览器刷新率,JS 一直执行,浏览器得不到控制权,就不能及时开始下一帧的绘制。如果这个时间超过 16ms,当页面有动画效果需求时,动画因为浏览器不能及时绘制下一帧,这时动画就会出现卡顿。不仅如此,因为事件响应代码是在每一帧开始的时候执行,如果不能及时绘制下一帧,事件响应也会延迟。

3. 时间分片(Time Slicing)

时间分片指的是一种将多个粒度小的任务放入一个时间切片(一帧)中执行的一种方案,在 React Fiber 中就是将多个任务放在了一个时间片中去执行。

4. 链表

在 React Fiber 中用链表遍历的方式替代了 React 16 之前的栈递归方案。在 React 16 中使用了大量的链表。例如:

  • 使用多向链表的形式替代了原来的树结构

例如下面这个组件:

<div id="id">
  A1
  <div id="B1">
    B1
     <div id="C1"></div>
  </div>
  <div id="B2">
      B2
  </div>
</div>

会使用下面这样的链表表示: 图片

  • 副作用单链表

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  • 状态更新单链表

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  • ...

链表是一种简单高效的数据结构,它在当前节点中保存着指向下一个节点的指针,就好像火车一样一节连着一节

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遍历的时候,通过操作指针找到下一个元素。但是操作指针时(调整顺序和指向)一定要小心。

链表相比顺序结构数据格式的好处就是:

  1. 操作更高效,比如顺序调整、删除,只需要改变节点的指针指向就好了。
  2. 不仅可以根据当前节点找到下一个节点,在多向链表中,还可以找到他的父节点或者兄弟节点。

但链表也不是完美的,缺点就是:

  1. 比顺序结构数据更占用空间,因为每个节点对象还保存有指向下一个对象的指针。
  2. 不能自由读取,必须找到他的上一个节点。

React 用空间换时间,更高效的操作可以方便根据优先级进行操作。同时可以根据当前节点找到其他节点,在下面提到的挂起和恢复过程中起到了关键作用。

React Fiber 是如何实现更新过程可控?

前面讲完基本知识,现在正式开始介绍今天的主角 Fiber,看看 React Fiber 是如何实现对更新过程的管控。

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更新过程的可控主要体现在下面几个方面:

  1. 任务拆分
  2. 任务挂起、恢复、终止
  3. 任务具备优先级

1. 任务拆分

前面提到,React Fiber 之前是基于原生执行栈,每一次更新操作会一直占用主线程,直到更新完成。这可能会导致事件响应延迟,动画卡顿等现象。

在 React Fiber 机制中,它采用"化整为零"的战术,将调和阶段(Reconciler)递归遍历 VDOM 这个大任务分成若干小任务,每个任务只负责一个节点的处理。例如:

import React from "react";
import ReactDom from "react-dom"
const jsx = (
    <div id="A1">
    A1
    <div id="B1">
      B1
      <div id="C1">C1</div>
      <div id="C2">C2</div>
    </div>
    <div id="B2">B2</div>
  </div>
)
ReactDom.render(jsx,document.getElementById("root"))

这个组件在渲染的时候会被分成八个小任务,每个任务用来分别处理 A1(div)、A1(text)、B1(div)、B1(text)、C1(div)、C1(text)、C2(div)、C2(text)、B2(div)、B2(text)。再通过时间分片,在一个时间片中执行一个或者多个任务。这里提一下,所有的小任务并不是一次性被切分完成,而是处理当前任务的时候生成下一个任务,如果没有下一个任务生成了,就代表本次渲染的 Diff 操作完成。

2. 挂起、恢复、终止

再说挂起、恢复、终止之前,不得不提两棵 Fiber 树,workInProgress tree 和 currentFiber tree。

workInProgress 代表当前正在执行更新的 Fiber 树。在 render 或者 setState 后,会构建一颗 Fiber 树,也就是 workInProgress tree,这棵树在构建每一个节点的时候会收集当前节点的副作用,整棵树构建完成后,会形成一条完整的副作用链。

currentFiber 表示上次渲染构建的 Filber 树。在每一次更新完成后 workInProgress 会赋值给 currentFiber。在新一轮更新时 workInProgress tree 再重新构建,新 workInProgress 的节点通过 alternate 属性和 currentFiber 的节点建立联系。

在新 workInProgress tree 的创建过程中,会同 currentFiber 的对应节点进行 Diff 比较,收集副作用。同时也会复用和 currentFiber 对应的节点对象,减少新创建对象带来的开销。也就是说无论是创建还是更新,挂起、恢复以及终止操作都是发生在 workInProgress tree 创建过程中。workInProgress tree 构建过程其实就是循环的执行任务和创建下一个任务,大致过程如下:

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当没有下一个任务需要执行的时候,workInProgress tree 构建完成,开始进入提交阶段,完成真实 DOM 更新。

在构建 workInProgressFiber tree 过程中可以通过挂起、恢复和终止任务,实现对更新过程的管控。下面简化了一下源码,大致实现如下:

let nextUnitWork = null;//下一个执行单元
//开始调度
function shceduler(task){
     nextUnitWork = task; 
}
//循环执行工作
function workLoop(deadline){
  let shouldYield = false;//是否要让出时间片交出控制权
  while(nextUnitWork && !shouldYield){
    nextUnitWork = performUnitWork(nextUnitWork)
    shouldYield = deadline.timeRemaining()<1 // 没有时间了,检出控制权给浏览器
  }
  if(!nextUnitWork) {
    conosle.log("所有任务完成")
    //commitRoot() //提交更新视图
  }
  // 如果还有任务,但是交出控制权后,请求下次调度
  requestIdleCallback(workLoop,{timeout:5000}) 
}
/*
 * 处理一个小任务,其实就是一个 Fiber 节点,如果还有任务就返回下一个需要处理的任务,没有就代表整个
 */
function performUnitWork(currentFiber){
  ....
  return FiberNode
}

挂起

当第一个小任务完成后,先判断这一帧是否还有空闲时间,没有就挂起下一个任务的执行,记住当前挂起的节点,让出控制权给浏览器执行更高优先级的任务。

恢复

在浏览器渲染完一帧后,判断当前帧是否有剩余时间,如果有就恢复执行之前挂起的任务。如果没有任务需要处理,代表调和阶段完成,可以开始进入渲染阶段。这样完美的解决了调和过程一直占用主线程的问题。

那么问题来了他是如何判断一帧是否有空闲时间的呢?答案就是我们前面提到的 RIC (RequestIdleCallback) 浏览器原生 API,React 源码中为了兼容低版本的浏览器,对该方法进行了 Polyfill。

当恢复执行的时候又是如何知道下一个任务是什么呢?答案在前面提到的链表。在 React Fiber 中每个任务其实就是在处理一个 FiberNode 对象,然后又生成下一个任务需要处理的 FiberNode。顺便提一嘴,这里提到的FiberNode 是一种数据格式,下面是它没有开美颜的样子:

class FiberNode {
  constructor(tag, pendingProps, key, mode) {
    // 实例属性
    this.tag = tag; // 标记不同组件类型,如函数组件、类组件、文本、原生组件...
    this.key = key; // react 元素上的 key 就是 jsx 上写的那个 key ,也就是最终 ReactElement 上的
    this.elementType = null; // createElement的第一个参数,ReactElement 上的 type
    this.type = null; // 表示fiber的真实类型 ,elementType 基本一样,在使用了懒加载之类的功能时可能会不一样
    this.stateNode = null; // 实例对象,比如 class 组件 new 完后就挂载在这个属性上面,如果是RootFiber,那么它上面挂的是 FiberRoot,如果是原生节点就是 dom 对象
    // fiber
    this.return = null; // 父节点,指向上一个 fiber
    this.child = null; // 子节点,指向自身下面的第一个 fiber
    this.sibling = null; // 兄弟组件, 指向一个兄弟节点
    this.index = 0; //  一般如果没有兄弟节点的话是0 当某个父节点下的子节点是数组类型的时候会给每个子节点一个 index,index 和 key 要一起做 diff
    this.ref = null; // reactElement 上的 ref 属性
    this.pendingProps = pendingProps; // 新的 props
    this.memoizedProps = null; // 旧的 props
    this.updateQueue = null; // fiber 上的更新队列执行一次 setState 就会往这个属性上挂一个新的更新, 每条更新最终会形成一个链表结构,最后做批量更新
    this.memoizedState = null; // 对应  memoizedProps,上次渲染的 state,相当于当前的 state,理解成 prev 和 next 的关系
    this.mode = mode; // 表示当前组件下的子组件的渲染方式
    // effects
    this.effectTag = NoEffect; // 表示当前 fiber 要进行何种更新
    this.nextEffect = null; // 指向下个需要更新的fiber
    this.firstEffect = null; // 指向所有子节点里,需要更新的 fiber 里的第一个
    this.lastEffect = null; // 指向所有子节点中需要更新的 fiber 的最后一个
    this.expirationTime = NoWork; // 过期时间,代表任务在未来的哪个时间点应该被完成
    this.childExpirationTime = NoWork; // child 过期时间
    this.alternate = null; // current 树和 workInprogress 树之间的相互引用
  }
}

额…看着好像有点上头,这是开了美颜的样子:

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是不是好看多了?在每次循环的时候,找到下一个执行需要处理的节点。

function performUnitWork(currentFiber){
    //beginWork(currentFiber) //找到儿子,并通过链表的方式挂到currentFiber上,每一偶儿子就找后面那个兄弟
  //有儿子就返回儿子
  if(currentFiber.child){
    return currentFiber.child;
  } 
  //如果没有儿子,则找弟弟
  while(currentFiber){//一直往上找
    //completeUnitWork(currentFiber);//将自己的副作用挂到父节点去
    if(currentFiber.sibling){
      return currentFiber.sibling
    }
    currentFiber = currentFiber.return;
  }
}

在一次任务结束后返回该处理节点的子节点或兄弟节点或父节点。只要有节点返回,说明还有下一个任务,下一个任务的处理对象就是返回的节点。通过一个全局变量记住当前任务节点,当浏览器再次空闲的时候,通过这个全局变量,找到它的下一个任务需要处理的节点恢复执行。就这样一直循环下去,直到没有需要处理的节点返回,代表所有任务执行完成。最后大家手拉手,就形成了一颗 Fiber 树。

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终止

其实并不是每次更新都会走到提交阶段。当在调和过程中触发了新的更新,在执行下一个任务的时候,判断是否有优先级更高的执行任务,如果有就终止原来将要执行的任务,开始新的 workInProgressFiber 树构建过程,开始新的更新流程。这样可以避免重复更新操作。这也是在 React 16 以后生命周期函数 componentWillMount 有可能会执行多次的原因。

3. 任务具备优先级

React Fiber 除了通过挂起,恢复和终止来控制更新外,还给每个任务分配了优先级。具体点就是在创建或者更新 FiberNode 的时候,通过算法给每个任务分配一个到期时间(expirationTime)。在每个任务执行的时候除了判断剩余时间,如果当前处理节点已经过期,那么无论现在是否有空闲时间都必须执行改任务。

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同时过期时间的大小还代表着任务的优先级。

任务在执行过程中顺便收集了每个 FiberNode 的副作用,将有副作用的节点通过 firstEffect、lastEffect、nextEffect 形成一条副作用单链表 AI(TEXT)-B1(TEXT)-C1(TEXT)-C1-C2(TEXT)-C2-B1-B2(TEXT)-B2-A。

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其实最终都是为了收集到这条副作用链表,有了它,在接下来的渲染阶段就通过遍历副作用链完成 DOM 更新。这里需要注意,更新真实 DOM 的这个动作是一气呵成的,不能中断,不然会造成视觉上的不连贯。

关于 React Fiber 的思考

1. 能否使用生成器(generater)替代链表

在 Fiber 机制中,最重要的一点就是需要实现挂起和恢复,从实现角度来说 generator 也可以实现。那么为什么官方没有使用 generator 呢?猜测应该是是性能方面的原因。生成器不仅让您在堆栈的中间让步,还必须把每个函数包装在一个生成器中。一方面增加了许多语法方面的开销,另外还增加了任何现有实现的运行时开销。性能上远没有链表的方式好,而且链表不需要考虑浏览器兼容性。

2. Vue 是否会采用 Fiber 机制来优化复杂页面的更新

这个问题其实有点搞事情,如果 Vue 真这么做了是不是就是变相承认 Vue 是在"集成" Angular 和 React 的优点呢?React 有 Fiber,Vue 就一定要有?

两者虽然都依赖 DOM Diff,但是实现上且有区别,DOM Diff 的目的都是收集副作用。Vue 通过 Watcher 实现了依赖收集,本身就是一种很好的优化。所以 Vue 没有采用 Fiber 机制,也无伤大雅。

总结

React Fiber 的出现相当于是在更新过程中引进了一个中场指挥官,负责掌控更新过程,足球世界里管这叫前腰。抛开带来的性能和效率提升外,这种“化整为零”和任务编排的思想,可以应用到我们平时的架构设计中。

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