Deep In React之淺談 React Fiber 架構(一)
- 2019 年 10 月 10 日
- 筆記
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前言
2016 年都已經透露出來的概念，這都 9102 年了，我才開始寫 Fiber 的文章，表示慚愧呀。不過現在好的是關於 Fiber 的資料已經很豐富了，在寫文章的時候參考資料比較多，比較容易深刻的理解。
React 作為我最喜歡的框架，沒有之一，我願意花很多時間來好好的學習他，我發現對於學習一門框架會有四種感受，剛開始沒使用過，可能有一種很神奇的感覺；然後接觸了，遇到了不熟悉的語法，感覺這是什麼垃圾東西，這不是反人類么；然後當你熟悉了之後，真香，設計得挺好的，這個時候它已經改變了你編程的思維方式了；再到後來，看過他的源碼，理解他的設計之後，設計得確實好，感覺自己也能寫一個的樣子。
所以我今年(對，沒錯，就是一年)就是想完全的學透 React，所以開了一個 Deep In React 的系列，把一些新手在使用 API 的時候不知道為什麼的點，以及一些為什麼有些東西要這麼設計寫出來，與大家共同探討 React 的奧秘。
我的思路是自上而下的介紹，先理解整體的 Fiber 架構，然後再細挖每一個點，所以這篇文章主要是談 Fiber 架構的。
介紹
在詳細介紹 Fiber 之前，先了解一下 Fiber 是什麼，以及為什麼 React 團隊要話兩年時間重構協調演算法。
React 的核心思想
記憶體中維護一顆虛擬DOM樹，數據變化時（setState），自動更新虛擬 DOM，得到一顆新樹，然後 Diff 新老虛擬 DOM 樹，找到有變化的部分，得到一個 Change(Patch)，將這個 Patch 加入隊列，最終批量更新這些 Patch 到 DOM 中。
React 16 之前的不足
首先我們了解一下 React 的工作過程，當我們通過render()和 setState() 進行組件渲染和更新的時候，React 主要有兩個階段：
調和階段(Reconciler)：官方解釋。React 會自頂向下通過遞歸，遍歷新數據生成新的 Virtual DOM，然後通過 Diff 演算法，找到需要變更的元素(Patch)，放到更新隊列裡面去。
渲染階段(Renderer)：遍歷更新隊列，通過調用宿主環境的API，實際更新渲染對應元素。宿主環境，比如 DOM、Native、WebGL 等。
在協調階段階段，由於是採用的遞歸的遍歷方式，這種也被成為 Stack Reconciler，主要是為了區別 Fiber Reconciler 取的一個名字。這種方式有一個特點：一旦任務開始進行，就無法中斷，那麼 js 將一直佔用主執行緒， 一直要等到整棵 Virtual DOM 樹計算完成之後，才能把執行權交給渲染引擎，那麼這就會導致一些用戶交互、動畫等任務無法立即得到處理，就會有卡頓，非常的影響用戶體驗。
如何解決之前的不足
之前的問題主要的問題是任務一旦執行，就無法中斷，js 執行緒一直佔用主執行緒，導致卡頓。
可能有些接觸前端不久的不是特別理解上面為什麼 js 一直佔用主執行緒就會卡頓，我這裡還是簡單的普及一下。
瀏覽器每一幀都需要完成哪些工作？
頁面是一幀一幀繪製出來的，當每秒繪製的幀數（FPS）達到 60 時，頁面是流暢的，小於這個值時，用戶會感覺到卡頓。
1s 60 幀，所以每一幀分到的時間是 1000/60 ≈ 16 ms。所以我們書寫程式碼時力求不讓一幀的工作量超過 16ms。
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瀏覽器一幀內的工作
通過上圖可看到，一幀內需要完成如下六個步驟的任務：
- 處理用戶的交互
- JS 解析執行
- 幀開始。窗口尺寸變更，頁面滾去等的處理
- rAF(requestAnimationFrame)
- 布局
- 繪製
如果這六個步驟中，任意一個步驟所佔用的時間過長，總時間超過 16ms 了之後，用戶也許就能看到卡頓。
而在上一小節提到的調和階段花的時間過長，也就是 js 執行的時間過長，那麼就有可能在用戶有交互的時候，本來應該是渲染下一幀了，但是在當前一幀里還在執行 JS，就導致用戶交互不能麻煩得到回饋，從而產生卡頓感。
解決方案
把渲染更新過程拆分成多個子任務，每次只做一小部分，做完看是否還有剩餘時間，如果有繼續下一個任務；如果沒有，掛起當前任務，將時間控制權交給主執行緒，等主執行緒不忙的時候在繼續執行。這種策略叫做 Cooperative Scheduling（合作式調度），作業系統常用任務調度策略之一。
補充知識，作業系統常用任務調度策略：先來先服務（FCFS）調度演算法、短作業（進程）優先調度演算法（SJ/PF）、最高優先權優先調度演算法（FPF）、高響應比優先調度演算法（HRN）、時間片輪轉法（RR）、多級隊列回饋法。
合作式調度主要就是用來分配任務的，當有更新任務來的時候，不會馬上去做 Diff 操作，而是先把當前的更新送入一個 Update Queue 中，然後交給 Scheduler 去處理，Scheduler 會根據當前主執行緒的使用情況去處理這次 Update。為了實現這種特性，使用了requestIdelCallbackAPI。對於不支援這個API 的瀏覽器，React 會加上 pollyfill。
在上面我們已經知道瀏覽器是一幀一幀執行的，在兩個執行幀之間，主執行緒通常會有一小段空閑時間，requestIdleCallback可以在這個空閑期（Idle Period）調用空閑期回調（Idle Callback），執行一些任務。
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- 低優先順序任務由
requestIdleCallback處理； - 高優先順序任務，如動畫相關的由
requestAnimationFrame處理； requestIdleCallback可以在多個空閑期調用空閑期回調，執行任務；requestIdleCallback方法提供 deadline，即任務執行限制時間，以切分任務，避免長時間執行，阻塞UI渲染而導致掉幀；
這個方案看似確實不錯，但是怎麼實現可能會遇到幾個問題：
- 如何拆分成子任務？
- 一個子任務多大合適？
- 怎麼判斷是否還有剩餘時間？
- 有剩餘時間怎麼去調度應該執行哪一個任務？
- 沒有剩餘時間之前的任務怎麼辦？
接下里整個 Fiber 架構就是來解決這些問題的。
什麼是 Fiber
為了解決之前提到解決方案遇到的問題，提出了以下幾個目標：
- 暫停工作，稍後再回來。
- 為不同類型的工作分配優先權。
- 重用以前完成的工作。
- 如果不再需要，則中止工作。
為了做到這些，我們首先需要一種方法將任務分解為單元。從某種意義上說，這就是 Fiber，Fiber 代表一種工作單元。
但是僅僅是分解為單元也無法做到中斷任務，因為函數調用棧就是這樣，每個函數為一個工作，每個工作被稱為堆棧幀，它會一直工作，直到堆棧為空，無法中斷。
所以我們需要一種增量渲染的調度，那麼就需要重新實現一個堆棧幀的調度，這個堆棧幀可以按照自己的調度演算法執行他們。另外由於這些堆棧是可以自己控制的，所以可以加入並發或者錯誤邊界等功能。
因此 Fiber 就是重新實現的堆棧幀，本質上 Fiber 也可以理解為是一個虛擬的堆棧幀，將可中斷的任務拆分成多個子任務，通過按照優先順序來自由調度子任務，分段更新，從而將之前的同步渲染改為非同步渲染。
所以我們可以說 Fiber 是一種數據結構(堆棧幀)，也可以說是一種解決可中斷的調用任務的一種解決方案，它的特性就是時間分片(time slicing)和暫停(supense)。
如果了解協程的可能會覺得 Fiber 的這種解決方案，跟協程有點像(區別還是很大的)，是可以中斷的，可以控制執行順序。在 JS 里的 generator 其實就是一種協程的使用方式，不過顆粒度更小，可以控制函數裡面的程式碼調用的順序，也可以中斷。
Fiber 是如何工作的
ReactDOM.render()和setState的時候開始創建更新。- 將創建的更新加入任務隊列，等待調度。
- 在 requestIdleCallback 空閑時執行任務。
- 從根節點開始遍歷 Fiber Node，並且構建 WokeInProgress Tree。
- 生成 effectList。
- 根據 EffectList 更新 DOM。
下面是一個詳細的執行過程圖：
- 第一部分從
ReactDOM.render()方法開始，把接收的 React Element 轉換為 Fiber 節點，並為其設置優先順序，創建 Update，加入到更新隊列，這部分主要是做一些初始數據的準備。 - 第二部分主要是三個函數：
scheduleWork、requestWork、performWork，即安排工作、申請工作、正式工作三部曲，React 16 新增的非同步調用的功能則在這部分實現，這部分就是 Schedule 階段，前面介紹的 Cooperative Scheduling 就是在這個階段，只有在這個解決獲取到可執行的時間片，第三部分才會繼續執行。具體是如何調度的，後面文章再介紹，這是 React 調度的關鍵過程。 - 第三部分是一個大循環，遍歷所有的 Fiber 節點，通過 Diff 演算法計算所有更新工作，產出 EffectList 給到 commit 階段使用，這部分的核心是 beginWork 函數，這部分基本就是 Fiber Reconciler ，包括 reconciliation 和 commit 階段。
Fiber Node
FIber Node，承載了非常關鍵的上下文資訊，可以說是貫徹整個創建和更新的流程，下來分組列了一些重要的 Fiber 欄位。
{ ... // 跟當前Fiber相關本地狀態（比如瀏覽器環境就是DOM節點） stateNode: any, // 單鏈表樹結構 return: Fiber | null,// 指向他在Fiber節點樹中的`parent`，用來在處理完這個節點之後向上返回 child: Fiber | null,// 指向自己的第一個子節點 sibling: Fiber | null, // 指向自己的兄弟結構，兄弟節點的return指向同一個父節點 // 更新相關 pendingProps: any, // 新的變動帶來的新的props memoizedProps: any, // 上一次渲染完成之後的props updateQueue: UpdateQueue<any> | null, // 該Fiber對應的組件產生的Update會存放在這個隊列裡面 memoizedState: any, // 上一次渲染的時候的state // Scheduler 相關 expirationTime: ExpirationTime, // 代表任務在未來的哪個時間點應該被完成，不包括他的子樹產生的任務 // 快速確定子樹中是否有不在等待的變化 childExpirationTime: ExpirationTime, // 在Fiber樹更新的過程中，每個Fiber都會有一個跟其對應的Fiber // 我們稱他為`current <==> workInProgress` // 在渲染完成之後他們會交換位置 alternate: Fiber | null, // Effect 相關的 effectTag: SideEffectTag, // 用來記錄Side Effect nextEffect: Fiber | null, // 單鏈表用來快速查找下一個side effect firstEffect: Fiber | null, // 子樹中第一個side effect lastEffect: Fiber | null, // 子樹中最後一個side effect .... };
Fiber Reconciler
在第二部分，進行 Schedule 完，獲取到時間片之後，就開始進行 reconcile。
Fiber Reconciler 是 React 里的調和器，這也是任務調度完成之後，如何去執行每個任務，如何去更新每一個節點的過程，對應上面的第三部分。
reconcile 過程分為2個階段（phase）：
- （可中斷）render/reconciliation 通過構造 WorkInProgress Tree 得出 Change。
- （不可中斷）commit 應用這些DOM change。
reconciliation 階段
在 reconciliation 階段的每個工作循環中，每次處理一個 Fiber，處理完可以中斷/掛起整個工作循環。通過每個節點更新結束時向上歸併 Effect List 來收集任務結果，reconciliation 結束後，根節點的 Effect List里記錄了包括 DOM change 在內的所有 Side Effect。
render 階段可以理解為就是 Diff 的過程，得出 Change(Effect List)，會執行聲明如下的聲明周期方法：
- [UNSAFE_]componentWillMount（棄用）
- [UNSAFE_]componentWillReceiveProps（棄用）
- getDerivedStateFromProps
- shouldComponentUpdate
- [UNSAFE_]componentWillUpdate（棄用）
- render
由於 reconciliation 階段是可中斷的，一旦中斷之後恢復的時候又會重新執行，所以很可能 reconciliation 階段的生命周期方法會被多次調用，所以在 reconciliation 階段的生命周期的方法是不穩定的，我想這也是 React 為什麼要廢棄 componentWillMount 和 componentWillReceiveProps方法而改為靜態方法 getDerivedStateFromProps 的原因吧。
commit 階段
commit 階段可以理解為就是將 Diff 的結果反映到真實 DOM 的過程。
在 commit 階段，在 commitRoot 里會根據 effect的 effectTag，具體 effectTag 見源碼 ，進行對應的插入、更新、刪除操作，根據 tag 不同，調用不同的更新方法。
commit 階段會執行如下的聲明周期方法：
- getSnapshotBeforeUpdate
- componentDidMount
- componentDidUpdate
- componentWillUnmount
P.S：注意區別 reconciler、reconcile 和 reconciliation，reconciler 是調和器，是一個名詞，可以說是 React 工作的一個模組，協調模組；reconcile 是調和器調和的動作，是一個動詞；而 reconciliation 只是 reconcile 過程的第一個階段。
Fiber Tree 和 WorkInProgress Tree
React 在 render 第一次渲染時，會通過 React.createElement 創建一顆 Element 樹，可以稱之為 Virtual DOM Tree，由於要記錄上下文資訊，加入了 Fiber，每一個 Element 會對應一個 Fiber Node，將 Fiber Node 鏈接起來的結構成為 Fiber Tree。它反映了用於渲染 UI 的應用程式的狀態。這棵樹通常被稱為 current 樹（當前樹，記錄當前頁面的狀態）。
在後續的更新過程中（setState），每次重新渲染都會重新創建 Element, 但是 Fiber 不會，Fiber 只會使用對應的 Element 中的數據來更新自己必要的屬性，
Fiber Tree 一個重要的特點是鏈表結構，將遞歸遍歷編程循環遍歷，然後配合 requestIdleCallback API, 實現任務拆分、中斷與恢復。
這個鏈接的結構是怎麼構成的呢，這就要主要到之前 Fiber Node 的節點的這幾個欄位：
// 單鏈表樹結構 { return: Fiber | null, // 指向父節點 child: Fiber | null,// 指向自己的第一個子節點 sibling: Fiber | null,// 指向自己的兄弟結構，兄弟節點的return指向同一個父節點 }
每一個 Fiber Node 節點與 Virtual Dom 一一對應，所有 Fiber Node 連接起來形成 Fiber tree, 是個單鏈表樹結構，如下圖所示：
對照圖來看，是不是可以知道 Fiber Node 是如何聯繫起來的呢，Fiber Tree 就是這樣一個單鏈表。
當 render 的時候有了這麼一條單鏈表，當調用 setState 的時候又是如何 Diff 得到 change 的呢？
採用的是一種叫雙緩衝技術（double buffering），這個時候就需要另外一顆樹：WorkInProgress Tree，它反映了要刷新到螢幕的未來狀態。
WorkInProgress Tree 構造完畢，得到的就是新的 Fiber Tree，然後喜新厭舊（把 current 指針指向WorkInProgress Tree，丟掉舊的 Fiber Tree）就好了。
這樣做的好處：
- 能夠復用內部對象（fiber）
- 節省記憶體分配、GC的時間開銷
- 就算運行中有錯誤，也不會影響 View 上的數據
每個 Fiber上都有個alternate屬性，也指向一個 Fiber，創建 WorkInProgress 節點時優先取alternate，沒有的話就創建一個。
創建 WorkInProgress Tree 的過程也是一個 Diff 的過程，Diff 完成之後會生成一個 Effect List，這個 Effect List 就是最終 Commit 階段用來處理副作用的階段。
後記
本開始想一篇文章把 Fiber 講透的，但是寫著寫著發現確實太多了，想寫詳細，估計要寫幾萬字，所以我這篇文章的目的僅僅是在沒有涉及到源碼的情況下梳理了大致 React 的工作流程，對於細節，比如如何調度非同步任務、如何去做 Diff 等等細節將以小節的方式一個個的結合源碼進行分析。
說實話，自己不是特別滿意這篇，感覺頭重腳輕，在講協調之前寫得還挺好的，但是在講協調這塊文字反而變少了，因為我是專門想寫一篇文章講協調的，所以這篇僅僅用來梳理整個流程。
但是梳理整個流程又發現 Schedule 這塊基本沒什麼體現，哎，不想寫了，這篇文章拖太久了，請繼續後續的文章。
可以關注我的 github：Deep In React
一些問題
接下來留一些思考題。
- 如何去劃分任務優先順序？
- 在 reconcile 過程的 render 階段是如何去遍歷鏈表，如何去構建 workInProgress 的？
- 當任務被打斷，如何恢復？
- 如何去收集 EffectList？
- 針對不同的組件類型如何進行更新？
參考
- 完全理解 React Fiber
- Fiber
- React16源碼之React Fiber架構
最後
- 覺得內容不錯可以點個「在看」，讓更多的人看到這篇文章
- 更多技術文可以關注我的 github：https://github.com/crazylxr/blog
完
