React Fiber 初探

一、为什么需要React Fiber

在React Fiber之前的版本,当React决定要加载或者更新组件树时,会做很多事,但主要是两个阶段:

调度阶段(Reconciler):这个阶段React用新数据生成新的Virtual DOM,遍历Virtual DOM,然后通过Diff算法,快速找出需要更新的元素,放到更新队列中去。

渲染阶段(Renderer):这个阶段React 根据所在的渲染环境,遍历更新队列,将对应元素更新。在浏览器中,就是跟新对应的DOM元素。除浏览器外,渲染环境还可以是 Native、硬件、VR 、WebGL等等。

表面上看,这种设计也是挺合理的,因为更新过程不会有任何I/O操作,完全是CPU计算,所以无需异步操作,执行到结束即可。

主要问题出现在,React之前的调度策略Stack Reconciler。这个策略像函数调用栈一样,会深度优先遍历所有的Virtual DOM节点,进行Diff。它一定要等整棵Virtual DOM计算完成之后,才将任务出栈释放主线程。而浏览器中的渲染引擎是单线程的,除了网络操作,几乎所有的操作都在这个单线程中执行:解析渲染DOM tree和CSS tree、解析执行JavaScript,这个线程就是浏览器的主线程。

假设更新一个组件需要1ms,如果有200个组件要更新,那就需要200ms,在这200ms的更新过程中,浏览器唯一的主线程都在专心运行更新操作,无暇去做任何其他的事情。

想象一下,在这200ms内,用户往一个input元素中输入点什么,敲击键盘也不会获得响应,因为渲染输入按键结果也是浏览器主线程的工作,但是浏览器主线程被React占用,抽不出空,最后的结果就是用户敲了按键看不到反应,等React更新过程结束之后,那些按键会一下出现在input元素里,这就是所谓的界面卡顿。

React这样的调度策略对动画的支持也不好。如果React更新一次状态,占用浏览器主线程的时间超过16.6ms,就会被人眼发觉前后两帧不连续,呈现出动画卡顿。

过去的优化都是停留在JavaScript层面(Virtual DOM的 create/diff):如减少组件的复杂度(Stateless)、减少向下diff的规模(SCU)、减少diff的成本(immutable.js)…这些都并不能解决线程的问题。React希望通过Fiber重构来改变这种现状,进一步提升交互体验。

二、什么是React Fiber

React Fiber之前的Stack Reconciler,在首次渲染过程中构建出Virtual DOM tree,后续需要更新时,diff Virtual DOM tree得到DOM change,并把DOM change应用(patch)到DOM树。

其运行时存在以下三种实例:

  • DOM: 真实的DOM节点。
  • Elements:主要是描述UI长什么样子(type, props)。
  • Instances: 根据Elements创建的,对组件及DOM节点的抽象表示,Virtual DOM tree维护了组件状态以及组件与DOM树的关系。

React Fiber解决过去Reconciler存在的问题的思路是把渲染/更新过程(递归diff)拆分成一系列小任务,每次检查树上的一小部分,完成后确认否还有时间继续下一个任务,存在时继续,不存在下一个任务时自己挂起,主线程不忙的时候再继续。

React Fiber将组件的递归更新,改成链表的依次执行,扩展出了fiber tree,即Fiber上下文的Virtual DOM tree,更新过程根据输入数据以及现有的fiber tree构造出新的fiber tree(workInProgress tree)。

因此,运行时的实例变更为这种结构:

  • DOM: 真实的DOM节点。
  • effect: 每个workInProgress tree节点上都有一个effect list用来存放diff结果,当前节点更新完毕会queue收集diff结果,向上merge effect list。
  • workInProgress:workInProgress tree是reconcile过程中从fiber tree建立的当前进度快照,用于断点恢复。
  • fiber:fiber tree与Virtual DOM tree类似,用来描述增量更新所需的上下文信息。
  • Elements:主要是描述UI长什么样子(type, props)。

fiber tree实际上是个单链表(Singly Linked List)树结构。Fiber的拆分单位是fiber tree上的一个节点fiber,按Virtual DOM节点拆,因为fiber tree是根据Virtual DOM tree构造出来的,树结构一模一样,只是节点携带的信息有差异。所以,实际上Virtual DOM node粒度的拆分以fiber为工作单元,每个组件实例和每个DOM节点抽象表示的实例都是一个工作单元。工作循环中,每次处理一个fiber,处理完可以中断/挂起整个工作循环。

2、reconcile

React Fiber把渲染/更新过程分为两个阶段:

1)可中断的render/reconciliation 通过构造workInProgress tree得出change。

2)不可中断的commit 应用这些DOM change。

第一阶段render/reconciliation具体实现为以fiber tree为蓝本,把每个fiber作为一个工作单元,自顶向下逐节点构造workInProgress tree(构建中的新fiber tree)。

以组件节点为例,具体过程如下:

1)如果当前节点不需要更新,直接把子节点clone过来,跳到5;要更新的话打个tag。

2)更新当前props, state, context等节点状态。

3)调用should Component Update(),false的话,跳到5。

4)调用render()获得新的子节点,并为子节点创建fiber。创建过程会尽量复用现有fiber,子节点增删也发生在这里。

5)如果没有产生child fiber,该工作单元结束,把effect list归并到return,并把当前节点的sibling作为下一个工作单元;否则把child作为下一个工作单元。

6)如果没有剩余可用时间了,等到下一次主线程空闲时才开始下一个工作单元;否则,立即开始做。

7)如果没有下一个工作单元了,回到了workInProgress tree的根节点,第1阶段结束,进入pending Commit状态。

实际上是1->6的工作循环,7是出口,工作循环每次只做一件事,做完看要不要休息。工作循环结束时,因为每做完一个都向上归并,workInProgress tree根节点身上的effect list就是收集到的所有side effect。

所以,构建workInProgress tree的过程就是diff的过程,通过request Idle Callback来调度执行一组任务,每完成一个任务后回来看看有没有插队的(更紧急的),每完成一组任务,把时间控制权交还给主线程,直到下一次request Idle Callback回调再继续构建workInProgress tree。

这一阶段是没有副作用的,因此这个过程可以被打断,然后恢复执行。

第二阶段commit:第一阶段产生的effectlist只有在commit之后才会生效,也就是真正应用到DOM中。这一阶段往往不会执行太长时间,因此是同步(所谓的一次性)的,这样也避免了组件内视图层结构和DOM不一致。

3、workInProgress tree

在React Fiber中使用了双缓冲技术(double buffering),像redux里的nextListeners,以fiber tree为主,workInProgress tree为辅。

双缓冲具体指的是workInProgress tree构造完毕,得到的就是新的fiber tree,每个fiber上都有个alternate属性,也指向一个fiber,创建workInProgress节点时优先取alternate,没有的话就创建一个。

fiber与workInProgress互相持有引用,把current指针指向workInProgress tree,丢掉旧的fiber tree。旧fiber就作为新fiber更新的预留空间,达到复用fiber实例的目的。

4、优先级策略

React Fiber为了更好的进行任务调度,会给不同的任务设置不同优先级。

React Fiber切分任务并调用requestIdleCallback和requestAnimationFrame API,保证渲染任务和其他任务,在不影响应用交互,不掉帧的前提下,稳定执行。而实现调度的方式正是给每一个fiber实例设置到期执行时间,不同时间即代表不同优先级,到期时间越短,则代表优先级越高,需要尽早执行。

synchronous首屏(首次渲染)用,要求尽量快,不管会不会阻塞UI线程。animation通过requestAnimationFrame来调度,这样在下一帧就能立即开始动画过程;后3个都是由requestIdleCallback回调执行的;offscreen指的是当前隐藏的、屏幕外看不见的元素。高优先级的比如希望立即得到反馈的键盘输入,低优先级的比如网络请求,让评论显示出来等等。另外,紧急的事件允许插队。

5、生命周期

因为render/reconciliation阶段可能执行多次,会导致willXXX钩子执行多次。所以getDerivedStateFromProps取代了原本的componentWillMount与componentWillReceiveProps方法,而componentWillUpdate本来就是可有可无所以也被废弃了。

进入commit阶段时,组件多了一个新钩子叫getSnapshotBeforeUpdate,它与commit阶段的钩子一样只执行一次。

出错时,在componentDidMount/Update后,可以使用componentDidCatch方法。

三、总结

React Fiber最终提供的新功能主要是:

  • 可切分,可中断任务。
  • 可重用各分阶段任务,且可以设置优先级。
  • 可以在父子组件任务间前进/后退切换任务。
  • render方法可以返回多元素(即可以返回数组)。
  • 支持异常边界处理异常。

通过本文主要了解了React Fiber的基本实现和其产生的原因,其本身的还有更多的优化和实现细节,可以查看源码或参考其他文章进行更深入的了解。

  • 参考文章

1)react-fiber-architecture

来源: https://github.com/acdlite/react-fiber-architecture

2)Lin Clark

来源: https://conf.reactjs.org/speakers/lin

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