React源码解读之React Fiber

开始之前,先讲一下该文章能帮你解决哪些问题?

  • facebook为什么要使用重构React
  • React Fiber是什么
  • React Fiber的核心算法 – react是如何中断重启任务的
  • react fiber部分源码简化版

前言

该文章涉及的源码部分基于React v17.0.2

why React Fiber

  • 浏览器渲染过程

从浏览器的运行机制谈起。大家都知道,浏览器是多进程多线程的,多进程包括主进程,渲染进程,插件进程,GPU进程等,作为前端开发者,我们主要关注其中的渲染进程,这里是页面渲染,HTML解析,css解析,js执行所在的地方。在渲染进程中包括多个线程,此次核心关注页面渲染的两个线程,GUI线程和JS线程。

GUI线程负责浏览器界面的渲染,包括解析HTML,CSS,布局绘制等;js线程包含我们通常编写的js代码的解析引擎,最有名的就是google的V8。需要注意的一点是,js引擎和GUI渲染是互斥的,因为JS可能会更改HTML或者CSS样式,如果同时执行会导致页面渲染混乱,所以当JS引擎执行时,GUI渲染线程会被挂起,等JS引擎执行完立即执行。

  • GPU渲染

我们通常看到的动画,视频本质上是通过一张张图片快速的闪过,欺骗人类的双眼,让人以为是连续的动画,每秒内包含的图片越多动画越流畅,正常60张图片可以让人眼感觉是流畅的动画,所以当前大部分设备的FPS是60,即,每秒60帧。所以Chrome要在16ms的时间内执行完下图的渲染任务,才能让用户感觉不到掉帧。

img

所以,如果JS执行时间过长,基本上超过10ms之后,用户会感觉到明显的卡顿,很影响用户体验(下文中js执行都以16ms为分界点,不计算后续的渲染,实际的可执行时间肯定小于16ms)。而React执行是要进行两棵树的diff,虽然React根据html的特性对diff算法做了优化,但是如果两棵树比对的层级较深,依旧会远远超过16ms。

React Fiber

基于此,那如何解决问题呢?在上图中,React作为js,所有的同步操作执行在最开始,在React执行完成后,后续的html解析,布局渲染等操作才会执行。最容易想到的就是,优化JS的执行速度,把React占用线程的时间缩短到16ms以内。在React执行中,最耗时的就是diff算法,React针对html这种场景下做了优化,业界已经没有更好的算法可以缩短diff算法的时间,所以当树的层次很深时,执行时间依旧很长。

那还有什么办法呢,我们依旧可以看上图,在现代浏览器中,浏览器为了让开发者知道浏览器执行完当前帧所有的操作后,还有多长时间可以使用,提供了requestIdleCallback这么一个方法,据此我们可以知道当前还有多长时间可以执行。

requestIdleCallback
requestIdleCallback((deadline) => {
    while ((deadline.timeRemaining() > 0 || deadline.didTimeout) && nextComponent) {
        nextComponent = performWork(nextComponent);
    }
});

题外话:

有兴趣可以在控制台执行输出一下requestIdleCallback回调参数的requestIdleCallback((deadline) ,在不同的网页上得到的时间可能不同。甚至可能会超过16ms(在React官网就显示49.9ms)因为requestIdleCallback的一些限制原因,React源码中未使用requestIdleCallback,而是自己实现了一套类似的机制。

使用此方法我们知道每帧的剩余时间之后,这样就可以在剩余时间内进行工作,如果当前帧时间不够,就把剩余的工作放到下一帧的requestIdleCallback中执行。这就是React所说的时间切片(time slicing)。

所以要使用此方法,需要把基于js内置栈调用的同步递归遍历的diff算法改为异步增量更新。按照React负责人的说法就是

如果你仅仅依赖js内置的调用栈,它会一直执行直到栈为空…,如果我们可以任意的中断并且手动的操作调用栈,不是更完美吗?这就是React Fiber的目的。Fiber是针对React Component的栈的重新实现。你可以认为一个Fiber就是一个虚拟的栈中的一项任务。

说人话,就是原来树的递归是深度递归遍历,现在需要把递归算法重新实现,以便于我不依赖于栈的调用,可以对react组件一个一个节点的遍历,中途任意时间可以中断和从当前开始。

stack Reconciliation vs Fiber Reconciliation

stack Reconciliation

假如我们有如下一个html结构

image-47.png

转化成类React组件的js对象如下

const a1 = {name: 'a1'};
const b1 = {name: 'b1'};
const b2 = {name: 'b2'};
const b3 = {name: 'b3'};
const c1 = {name: 'c1'};
const c2 = {name: 'c2'};
const d1 = {name: 'd1'};
const d2 = {name: 'd2'};

a1.render = () => [b1, b2, b3];
b1.render = () => [];
b2.render = () => [c1];
b3.render = () => [c2];
c1.render = () => [d1, d2];
c2.render = () => [];
d1.render = () => [];
d2.render = () => [];

正常情况,我们会使用像下面这种方式递归来遍历这棵”树”,在React最早的版本就是基于此来递归遍历dom树

function walk(instance) {
  console.log(instance.name);
  let children = instance.render();
  children.forEach((child) => {
    walk(child);
  });
}
walk(a1);

可以看到,这种方式,是可以遍历完整棵树,可是它没办法做到我们之前所说的中断递归,如果你中途中断了递归这棵树,下次你要重新从根节点整个遍历。这显然是不行的,它只能不断递归遍历,直到stack调用栈为空。那React Fiber是如何中断重启任务呢?

答案是单链表树遍历算法。简单来说就是把原来树本身的嵌套结构,改为单链表形式的树。

相关参考视频讲解:进入学习

Fiber Reconciliation

React具体是如何使用链表遍历树呢?为了实现这种算法,首先先看下我们需要的数据结构

  • child,指向该节点第一个子节点
  • sibling,指向该节点的下一个兄弟节点
  • return,指向该节点的父节点

还是之前的dom树结构,现在变成了这样

image-48-2.png

构建Fiber树的过程就不描述了,我们直接看遍历算法(父节点优先,深度优先)

let root = fiber;
let node = fiber;
while (true) {
  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;
}

可以看到,拿到根节点后,不断遍历子节点,直到最深节点,然后从最深的子节点开始遍历兄弟节点,如果没有兄弟节点就返回该节点父节点,如果有兄弟节点,把每个兄弟节点的子节点遍历完,直到最后一个子节点,然后返回父节点。这样不断遍历,直到返回根节点。

下面是在React源码中Fiber的数据对象。其实说到底,Fiber就是一个对象。他相对于之前React createElement生成的element对象,多了一层数据结构来支撑上述的单链表遍历算法。

Fiber数据结构

下面是React源码中的Fiber对象的属性,具体可以直接看注释。

function FiberNode(
  tag: WorkTag,  pendingProps: mixed,  key: null | string,  mode: TypeOfMode
) {
  // Instance
  this.tag = tag; //Fiber标记是什么类型的Fiber/component,WorkTag 0-24
  this.key = key; // 唯一标识
  this.elementType = null;
  this.type = null;
  this.stateNode = null; //stateNode:class div

  // Fiber 数据结构
  this.return = null; // 父节点
  this.child = null; // 第一个子节点
  this.sibling = null; // 兄弟节点
  this.index = 0; //

  this.ref = null;

  this.pendingProps = pendingProps; //newprops
  this.memoizedProps = null; // oldProps 上次的props
  // updateQueue数据结构:
  //  {
  //   baseState: fiber.memoizedState,
  //   firstBaseUpdate: null,
  //   lastBaseUpdate: null,
  //   shared: {
  //     pending: null,
  //     interleaved: null,
  //     lanes: NoLanes,
  //   },
  //   effects: null,
  // };
  this.updateQueue = null; // 批处理队列

  this.memoizedState = null; //oldState
  this.dependencies = null;

  this.mode = mode;

  // Effects
  this.flags = NoFlags; // 标记该fiber变更方式
  this.subtreeFlags = NoFlags;
  this.deletions = null;
  // 优先级调度
  this.lanes = NoLanes; 
  this.childLanes = NoLanes;

  this.alternate = null; //work-in-progress current互为alternate
}

fiber带来的效果提升

  1. 可以通过看下重构前后的对比Demo,体会一下带来的体验提升
  2. 为后续React Concurrent模式做了基础

Fiber流转过程

画了一个简单的流程图说明Fiber的流转流程。

react-fiber.png

图示说明:

react在performUnitOfWork和completeUnitOfWork两个方法中,处理上述Fiber遍历算法的逻辑,在beginwork和completeWork中完成处理组件的逻辑。
在beginwork中会处理state的更新,此阶段相应生命周期的调用,reconcile的过程(给Fiber节点打上新增,删除,移动等标记的过程。在completeWork阶段,会把所有flags的标记,冒泡到父节点。以便于在commit阶段更新。

我记得Dan Abramov对effect list有过一个形象的比喻,可以写一下(大致意思是这样)

你可以把react fiber看做一棵圣诞树,effect list就是这颗圣诞树上悬挂的装饰灯

React源码 —太长不看系列

下面是React中关于Fiber的一些核心源码—已删除了很多跟此次文章无关的代码,大家可以自行选择是否服用。

包含代码注释,及代码在React仓库中的所在位置。大家可以直接看代码注释,不作具体解读了。

// https://github.com/facebook/react/blob/v17.0.2/packages/react-reconciler/src/ReactFiberWorkLoop.old.js#L1635
function workLoopConcurrent() {
  // Perform work until Scheduler asks us to yield
  while (workInProgress !== null && !shouldYield()) {
    performUnitOfWork(workInProgress);
  }
}

performUnitOfWork

// https://github.com/facebook/react/blob/v17.0.2/packages/react-reconciler/src/ReactFiberWorkLoop.old.js#L1642
function performUnitOfWork(unitOfWork: Fiber): void {
  const current = unitOfWork.alternate;
  let next;
  // 一直返回unitOfWork.child,不会处理sibling
    next = beginWork(current, unitOfWork, subtreeRenderLanes);
  unitOfWork.memoizedProps = unitOfWork.pendingProps;
  // 该fiber需要做的处理完成,返回下一个待处理的fiber
  if (next === null) {
    // 到达该链路的最底层的叶子节点,在该函数中处理sibling节点
    completeUnitOfWork(unitOfWork);
  } else {
    workInProgress = next;
  }
}

beginWork

// https://github.com/facebook/react/blob/v17.0.2/packages/react-reconciler/src/ReactFiberBeginWork.old.js#L3083
function beginWork(
  current: Fiber | null,  workInProgress: Fiber,  renderLanes: Lanes
): Fiber | null {
  let updateLanes = workInProgress.lanes;
    // tag有很多,这里只保留了常用的FunctionComponent和ClassComponent,后续只看updateClassComponent
  switch (workInProgress.tag) {
    case FunctionComponent: {
      const Component = workInProgress.type;
      const unresolvedProps = workInProgress.pendingProps;
      const resolvedProps =
        workInProgress.elementType === Component
          ? unresolvedProps
          : resolveDefaultProps(Component, unresolvedProps);
      return updateFunctionComponent(
        current,
        workInProgress,
        Component,
        resolvedProps,
        renderLanes
      );
    }
    case ClassComponent: {
      const Component = workInProgress.type;
      const unresolvedProps = workInProgress.pendingProps;
      const resolvedProps =
        workInProgress.elementType === Component
          ? unresolvedProps
          : resolveDefaultProps(Component, unresolvedProps);
      // 返回值为workInProgress.child,可以在finishClassComponent中看到
      return updateClassComponent(
        current,
        workInProgress,
        Component,
        resolvedProps,
        renderLanes
      );
    }
  }
}
function updateClassComponent(
  current: Fiber | null,  workInProgress: Fiber,  Component: any,  nextProps: any,  renderLanes: Lanes
) {

  const instance = workInProgress.stateNode;
  let shouldUpdate;
  // 在此阶段处理更新生命周期和批处理的更新,
  if (instance === null) {
    if (current !== null) {
      // A class component without an instance only mounts if it suspended
      // inside a non-concurrent tree, in an inconsistent state. We want to
      // treat it like a new mount, even though an empty version of it already
      // committed. Disconnect the alternate pointers.
      current.alternate = null;
      workInProgress.alternate = null;
      // Since this is conceptually a new fiber, schedule a Placement effect
      workInProgress.flags |= Placement;
    }
    // In the initial pass we might need to construct the instance.
    constructClassInstance(workInProgress, Component, nextProps);
    mountClassInstance(workInProgress, Component, nextProps, renderLanes);
    shouldUpdate = true;
  } else if (current === null) {
    // In a resume, we'll already have an instance we can reuse.
    复用之前未完成
    shouldUpdate = resumeMountClassInstance(
      workInProgress,
      Component,
      nextProps,
      renderLanes
    );
  } else {
    // 在此阶段处理生命周期和批处理的更新
    shouldUpdate = updateClassInstance(
      current,
      workInProgress,
      Component,
      nextProps,
      renderLanes
    );
  }
  const nextUnitOfWork = finishClassComponent(
    current,
    workInProgress,
    Component,
    shouldUpdate,
    hasContext,
    renderLanes
  );
  return nextUnitOfWork;
}

function finishClassComponent(
  current: Fiber | null,  workInProgress: Fiber,  Component: any,  shouldUpdate: boolean,  hasContext: boolean,  renderLanes: Lanes
) {
  const instance = workInProgress.stateNode;
  // Rerender
  ReactCurrentOwner.current = workInProgress;
  let nextChildren;
    nextChildren = instance.render();
    //初始化或者执行dom diff   //ReactChildFiber.old.js
  reconcileChildren(current, workInProgress, nextChildren, renderLanes);  
  //child
  return workInProgress.child;
}

completeUnitOfWork

// https://github.com/facebook/react/blob/v17.0.2/packages/react-reconciler/src/ReactFiberWorkLoop.old.js#L1670
function completeUnitOfWork(unitOfWork: Fiber): void {
  // Attempt to complete the current unit of work, then move to the next
  // sibling. If there are no more siblings, return to the parent fiber.
  let completedWork = unitOfWork;
  do {
    const current = completedWork.alternate;
    const returnFiber = completedWork.return;

    let next;
      // 返回值一直为null
    next = completeWork(current, completedWork, subtreeRenderLanes);
    const siblingFiber = completedWork.sibling;
    if (siblingFiber !== null) {
      // If there is more work to do in this returnFiber, do that next.
      workInProgress = siblingFiber;
      return;
    }
    // Otherwise, return to the parent
    completedWork = returnFiber;
    // Update the next thing we're working on in case something throws.
    workInProgress = completedWork;
  } while (completedWork !== null);
}

// https://github.com/facebook/react/blob/v17.0.2/packages/react-reconciler/src/ReactFiberCompleteWork.old.js#L645
function completeWork(
  current: Fiber | null,  workInProgress: Fiber,  renderLanes: Lanes,
): Fiber | null {
  const newProps = workInProgress.pendingProps;

  switch (workInProgress.tag) {
      case FunctionComponent:
              bubbleProperties(workInProgress);
              return null;
      case ClassComponent: {
          const Component = workInProgress.type;
        if (isLegacyContextProvider(Component)) {
          popLegacyContext(workInProgress);
        }
        bubbleProperties(workInProgress);
        return null;
      }
  }

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THE END
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