React Fiber 是什么?

时间:2021-1-8 作者:admin

React 15 以及之前的版本有一个主要的问题 —— 虚拟 dom 的 diff 操作是同步完成的

这就意味着当页面上有大量 DOM 节点时,diff 的时间可能过长,从而导致交互卡顿,或者直接没有反馈。

这就引出了 React Fiber 来处理这样的问题。

为了保证阅读效果,建议读者边阅读边动手实操,点击这里可以下载源码。

这篇文章是什么?不是什么?

这篇文章将从一个简单的例子入手,主要聚焦于解释 React Fiber 是怎么做到异步可中断更新的

这篇文章并不会深究 Fiber 中其他有趣的事情,例如 workInProgressEffects listupdateQueueperformUnitOfWorkrender phase & commit phase,这方面已经有足够优秀的文章帮我们弄清楚这些事情,感兴趣的同学可以阅读下面的文章列表:

从一个问题开始

在讲 React Fiber 之前,我们先来看一个简单的例子:

现在有 10000 个节点,每个节点计算耗时 1ms,如何保证 10000 个节点顺利执行完成,又能让用户感知不到卡顿?

为了方便测试,我们用计算斐波那契数列来模拟节点耗时:

export function fibonacci(n) {
  if (n === 0) return 0;
  else if (n === 1) return 1;
  return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}

export const fibonacciWithTime = (n) => {
  console.time('计算斐波那契数列');
  const res = fibonacci(n);
  console.timeEnd('计算斐波那契数列');
  return res;
};

先看看最坏的情况:

import { fibonacciWithTime } from './utils';

let count = 0;

const $root = document.getElementById('root');

function render(times) {
  while (count < times) {
    // 计算 25 的斐波那契数列大概耗时 1ms,所以这里选择 25
    fibonacciWithTime(25);
    count++;
    $root.innerText = '当前计算个数:' + count;
  }
}

render(10000);

页面会 “卡死” 10秒钟,期间用户的交互不会有任何反馈,而且页面不会有任何更新。只有这 10000 个节点执行完了,页面才会作出反馈。

运行 yarn demo21 查看效果:

这是因为 JavaScript 是单线程的,上面的代码长期占据 JavaScript 线程,导致其他动作无法执行。

查看调用栈会发现线程都被JS占满了:

解决这个问题主要有如下一些思路:

  1. 提升计算机的算力,让计算机在极短的时间内就能完成更新操作。但是我们的应用可能跑在千差万别的设备上,总会有很多设备硬件水平不是很高。况且我们的应用将来会越来越复杂,dom 节点会越来越多,所以这个思路也没法从根本上解决问题。
  2. 使用 web worker,让 diff 操作在另外一个线程中并行执行。这是个好思路,但是这可能会带来额外的开销,react 官方并没有采用这个策略,原因可以参考 react issue 3092。不过也有人在这个思路上做了不少尝试
  3. 将 diff 操作变成可中断的,只有当浏览器空闲时再做 diff。避免 diff 更新长时间占据浏览器线程。React Fiber 就是用的这个思路。

事实上,我们要解决的其实并不是性能问题,而是调度问题。用户的交互事件属于高优先级,需要尽快响应。而 diff 操作优先级相对没那么高,可以在几个时间段内分片执行。

接着上面的问题,我们应该如何优化?

聪明的读者会想到,我们可以自定义调度策略。例如一次执行 10 节点,然后空出 15ms 让浏览器做别的事情,以此循环。好想法,我们看看代码实现:

import { fibonacciWithTime } from './utils';

let count = 0;

const $root = document.getElementById('root');

function render(times) {
  setTimeout(() => {
    let currentCount = 1;
    while (count < times && currentCount < 10) {
      fibonacciWithTime(25);
      count++;
      currentCount++;
      $root.innerText = '当前计算个数:' + count;
    }
    render(times);
  }, 15);
}

render(10000);

可以看到运行的效果还是很流畅的,运行 yarn demo22 查看效果:

但是上面的调度策略虽然可用,但是也有一些问题。比如,假设计算节点变得复杂,需要 10ms 才能计算完一个,那么 10个节点就需要 100ms,这个时长用户就能感知到卡顿。再比如,留给浏览器的 15ms 浏览器可能根本用不到,导致render时间变长。

查看其调用栈会发现线程中浪费了大量的空闲时间:

有没有更好的方式呢?翻一翻浏览器的 API,requestIdleCallback 进入我们眼帘。

requestIdleCallback 方法将在浏览器的空闲时段内调用函数。这使开发者能够在主事件循环上执行后台和低优先级工作,而不会影响延迟关键事件,如动画和输入响应。

什么是空闲时段?当浏览器呈现一帧所需的时间少于屏幕刷新率时间(对于60Hz 的设备,帧间隔应小于16ms),他们两之差就是空闲时间

requestIdleCallback 的形参是一个函数,这个函数上有两个重要的方法,一个是 timeRemaining,表示当前一帧中是否还有空闲时间。另外一个是 didTimeout,表示是否超时,这个通常结合 requestIdleCallback
的第二个参数使用,例如:requestIdleCallback(run, { timeout: 2000 }),则表示 2 秒会超时。

有了上面的思路,我们再来看看代码实现:

import { fibonacciWithTime } from './utils';

let count = 0;

const $root = document.getElementById('root');

function render(times) {
  const run = (deadline) => {
    while ((deadline.timeRemaining() > 0 || deadline.didTimeout) && count < times) {
      fibonacciWithTime(25);
      count++;
      $root.innerText = '当前计算个数:' + count;
    }
    if (count < times) {
      requestIdleCallback(run);
    }
  };
  requestIdleCallback(run);
}

render(10000);

可以看到运行的效果相对 demo22 而言更加流畅,而且执行时间也变快了很多。运行 yarn demo23 查看效果:

其调用栈如下,调度的很完美:

但是由于原生提供的 requestIdleCallback 方法的 timeRemaining() 最大返回是 50ms,也就是 20fps,达不到页面流畅度的要求,并且该 API 兼容性也比较差。所以 React 团队没有直接使用原生的 requestIdleCallback,而是自己 polyfill 了一个。

如何让 React 的 diff 可中断?

虚拟dom 是一个树状结构,diff 操作实际上就是递归遍历了一遍这颗树。

用代码表示,类似如下这样:

function traversal(node) {
  if (!node) return;
  // Do something with node
  node.children.forEach(child => traversal(child))
}

不同于前面一直递增到 10000 就结束的简单例子,在递归中中断以及恢复状态很麻烦。如果改成类似链表的结构那就好办很多,可以一直 next,知道 next 为 null 就知道遍历结束了。

也就是说,我们需要将递归操作变成遍历操作,Fiber 恰巧也是这么做的。

下图展示了 Fiber 中链表链接的对象的层级结构和它们之间的连接细节:

Fiber 的数据格式可以表示为:

interface Fiber {
  // 指向父节点
  return: Fiber | null,
  // 指向子节点
  child: Fiber | null,
  // 指向兄弟节点
  sibling: Fiber | null,

  [props: string]: any
};

如何建立这些连接?其实很简单,参考下面的代码:

// 这是一颗 dom 树
const element = {
  name: 'a1',
  children: [
    {
      name: 'b1',
      children: []
    },
    {
      name: 'b2',
      children: [
        {
          name: 'c1',
          children: [
            {
              name: 'd1',
              children: []
            },
            {
              name: 'd2',
              children: []
            }
          ]
        }
      ]
    },
    {
      name: 'b3',
      children: [
        {
          name: 'c2',
          children: []
        }
      ]
    }
  ]
}

// 建立 dom 元素与其子元素的联系
function link(element) {
  if (element) {
    let previous;
    element.children.forEach((item, index) => {
      item.return = element;
      if (index === 0) {
        element.child = item;
      } else {
        previous.sibling = item;
      }
      previous = item;
      // 这里为了方便演示,用了递归调用
      // 在 React 中为了提高性能并没有递归调用,而是 diff 到哪个节点便在那个节点 link。
      link(item);
    });
  }
}

link(element)

现在我们已经为这些节点建立了联系,那么如何遍历这些节点呢?React 团队核心成员 SebastianMarkbåge 在 React issue 7942 中已经为我们提供了答案:

function walk(fiber) {
  let root = fiber;
  let node = fiber;
  while (true) {
    // Do something with node
    if (node.child) {
      node = node.child;
      continue;
    }
    if (node === root) {
      return;
    }
    while (!node.sibling) {
      if (!node.return || node.return === root) {
        return;
      }
      node = node.return;
    }
    node = node.sibling;
  }
}

这有点像二叉树的深度遍历,有了类似链表的结构,我们可以随时中断它,并在合适的时候再恢复它。

运行 yarn demo24 查看效果。

总结

总结一下,为了解决 diff 时间过长导致的卡顿问题,React Fiber 用类似 requestIdleCallback 的机制来做异步 diff。但是之前的数据结构不支持这样的实现异步 diff,于是 React 实现了一个类似链表的数据结构,将原来的 递归diff 变成了现在的 遍历diff,这样就能方便的做中断和恢复了。

上面例子的完整代码可以点这里查看,如果觉得写的不错,可以给笔者一个 star,感谢阅读。

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