社区精选 | React Fiber 架构原理剖析

今天小编为大家带来的是社区作者 xiangzhihong 的文章，在这篇文章中他剖析详解了 React Fiber 的架构原理。

让我们一起学习吧~

一、概述

在 React 16 之前，VirtualDOM 的更新采用的是Stack架构实现的，也就是循环递归方式。不过，这种对比方式有明显的缺陷，就是一旦任务开始进行就无法中断，如果遇到应用中组件数量比较庞大，那么VirtualDOM 的层级就会比较深，带来的结果就是主线程被长期占用，进而阻塞渲染、造成卡顿现象。

为了避免出现卡顿等问题，我们必须保障在执行更新操作时计算时不能超过16ms，如果超过16ms，就需要先暂停，让给浏览器进行渲染，后续再继续执行更新计算。而Fiber架构就是为了支持“可中断渲染”而创建的。

在React中，Fiber使用了一种新的数据结构fiber tree，它可以把虚拟dom tree转换成一个链表，然后再执行遍历操作，而链表在执行遍历操作时是支持断点重启的，示意图如下。

二、Fiber架构

2.1 执行单元

官方介绍中，Fiber 被理解为是一种数据结构，但是我们也可以将它理解为是一个执行单元。

Fiber 可以理解为一个执行单元，每次执行完一个执行单元，React Fiber就会检查还剩多少时间，如果没有时间则将控制权让出去，然后由浏览器执行渲染操作。React Fiber 与浏览器的交互流程如下图。

可以看到，React 首先向浏览器请求调度，浏览器在执行完一帧后如果还有空闲时间，会去判断是否存在待执行任务，不存在就直接将控制权交给浏览器；如果存在就会执行对应的任务，执行完一个新的任务单元之后会继续判断是否还有时间，有时间且有待执行任务则会继续执行下一个任务，否则将控制权交给浏览器执行渲染，这个流程是循环进行的。

所以，我们可以将Fiber 理解为一个执行单元，并且这个执行单元必须是一次完成的，不能出现暂停。并且，这个小的执行单元在执行完后计算之后，可以移交控制权给浏览器去响应用户，从而提升了渲染的效率。

2.2 数据结构

在官方的文档中，Fiber 被解释为是一种数据结构，即链表结构。在链表结构中，每个 Virtual DOM 都可以表示为一个 fiber，如下图所示。

通常，一个 fiber包括了 child（第一个子节点）、sibling（兄弟节点）、return（父节点）等属性，React Fiber 机制的实现，就是依赖于上面的数据结构。

2.3 Fiber链表结构

通过介绍，我们知道Fiber使用的是链表结构，准确的说是单链表树结构，详见ReactFiber.js源码。为了放便理解 Fiber 的遍历过程，下面我们就看下Fiber链表结构。

在上面的例子中，每一个单元都包含了payload（数据）和nextUpdate（指向下一个单元的指针）两个元素，定义结构如下：

class Update {
  constructor(payload, nextUpdate) {
    this.payload = payload          //payload 数据
    this.nextUpdate = nextUpdate    //指向下一个节点的指针
  }
}

接下来定义一个队列，把每个单元串联起来。为此，我们需要定义两个指针：头指针firstUpdate和尾指针lastUpdate，作用是指向第一个单元和最后一个单元，然后再加入baseState属性存储React中的state状态。

class UpdateQueue {
  constructor() {
    this.baseState = null  // state
    this.firstUpdate = null // 第一个更新
    this.lastUpdate = null // 最后一个更新
  }
}

接下来，再定义两个方法：用于插入节点单元的enqueueUpdate(）和用于更新队列的forceUpdate(）。并且，插入节点单元时需要考虑是否已经存在节点，如果不存在直接将firstUpdate、lastUpdate指向此节点即可。更新队列是遍历这个链表，根据payload中的内容去更新state的值

class UpdateQueue {
  //.....
  
  enqueueUpdate(update) {
    // 当前链表是空链表
    if (!this.firstUpdate) {
      this.firstUpdate = this.lastUpdate = update
    } else {
      // 当前链表不为空
      this.lastUpdate.nextUpdate = update
      this.lastUpdate = update
    }
  }
  
  // 获取state，然后遍历这个链表，进行更新
  forceUpdate() {
    let currentState = this.baseState || {}
    let currentUpdate = this.firstUpdate
    while (currentUpdate) {
      // 判断是函数还是对象，是函数则需要执行，是对象则直接返回
      let nextState = typeof currentUpdate.payload === 'function' ? currentUpdate.payload(currentState) : currentUpdate.payload
      currentState = { ...currentState, ...nextState }
      currentUpdate = currentUpdate.nextUpdate
    }
    // 更新完成后清空链表
    this.firstUpdate = this.lastUpdate = null
    this.baseState = currentState
    return currentState
  }

最后，我们写一个测试的用例：实例化一个队列，向其中加入很多节点，再更新这个队列。

let queue = new UpdateQueue()
queue.enqueueUpdate(new Update({ name: 'www' }))
queue.enqueueUpdate(new Update({ age: 10 }))
queue.enqueueUpdate(new Update(state => ({ age: state.age + 1 })))
queue.enqueueUpdate(new Update(state => ({ age: state.age + 1 })))
queue.forceUpdate()
console.log(queue.baseState);       //输出{ name:'www',age:12 }

2.4 Fiber节点

Fiber 框架的拆分单位是 fiber（fiber tree上的一个节点），实际上拆分的节点就是虚拟DOM的节点，我们需要根据虚拟dom去生成 fiber tree。Fiber节点的数据结构如下：

{
    type: any,   //对于类组件，它指向构造函数；对于DOM元素，它指定HTML tag
    key: null | string,  //唯一标识符
    stateNode: any,  //保存对组件的类实例，DOM节点或与fiber节点关联的其他React元素类型的引用
    child: Fiber | null, //大儿子
    sibling: Fiber | null, //下一个兄弟
    return: Fiber | null, //父节点
    tag: WorkTag, //定义fiber操作的类型, 详见https://github.com/facebook/react/blob/master/packages/react-reconciler/src/ReactWorkTags.js
    nextEffect: Fiber | null, //指向下一个节点的指针
    updateQueue: mixed, //用于状态更新，回调函数，DOM更新的队列
    memoizedState: any, //用于创建输出的fiber状态
    pendingProps: any, //已从React元素中的新数据更新，并且需要应用于子组件或DOM元素的props
    memoizedProps: any, //在前一次渲染期间用于创建输出的props
    // ……     

最终， 所有的fiber 节点通过以下属性：child，sibling 和 return来构成一个树链表。

其他的属性还有memoizedState（创建输出的 fiber 的状态）、pendingProps（将要改变的 props ）、memoizedProps（上次渲染创建输出的 props ）、pendingWorkPriority（定义 fiber 工作优先级）等等就不在过多的介绍了。

2.5 API

2.5.1 requestAnimationFrame

requestAnimationFrame是浏览器提供的绘制动画的 API ，它要求浏览器在下次重绘之前（即下一帧）调用指定的回调函数以更新动画。

例如，使用requestAnimationFrame实现正方形的宽度加1px，直到宽度达到100px停止，代码如下。

<body>
  <div id="div" class="progress-bar "></div>
  <button id="start">开始动画</button>
</body>

<script>
  let btn = document.getElementById('start')
  let div = document.getElementById('div')
  let start = 0
  let allInterval = []

  const progress = () => {
    div.style.width = div.offsetWidth + 1 + 'px'
    div.innerHTML = (div.offsetWidth) + '%'
    if (div.offsetWidth < 100) {
      let current = Date.now()
      allInterval.push(current - start)
      start = current
      requestAnimationFrame(progress)
    }  
  }

  btn.addEventListener('click', () => {
    div.style.width = 0
    let currrent = Date.now()
    start = currrent
    requestAnimationFrame(progress)
  })
</script>

运行上面的代码，就可以看到浏览器会在每一帧运行结束后，将div的宽度加1px，直到100px为止。

2.5.2 requestIdleCallback

requestIdleCallback 也是 Fiber 的基础 API 。requestIdleCallback能使开发者在主事件循环上执行后台和低优先级的工作，而不会影响延迟关键事件，如动画和输入响应。正常帧任务完成后没超过16ms，说明有多余的空闲时间，此时就会执行requestIdleCallback里注册的任务。

具体的执行流程是，开发者采用requestIdleCallback方法注册对应的任务，告知浏览器任务的优先级不高，如果每一帧内存在空闲时间，就可以执行注册的这个任务。另外，开发者是可以传入timeout参数去定义超时时间的，如果到了超时时间，那么浏览器必须立即执行，使用方法如下：

window.requestIdleCallback(callback, { timeout: 1000 })

浏览器执行完方法后，如果没有剩余时间了，或者已经没有下一个可执行的任务了，React应该归还控制权，并同样使用requestIdleCallback去申请下一个时间片。具体的流程如下图：

其中，requestIdleCallback的callback中会接收到默认参数 deadline ，其中包含了以下两个属性：

• timeRamining：返回当前帧还剩多少时间供用户使用。

• didTimeout：返回 callback 任务是否超时。

三、Fiber执行流程

3.1 render阶段

3.1.1 遍历流程

const A1 = { type: 'div', key: 'A1' }
const B1 = { type: 'div', key: 'B1', return: A1 }
const B2 = { type: 'div', key: 'B2', return: A1 }
const C1 = { type: 'div', key: 'C1', return: B1 }
const C2 = { type: 'div', key: 'C2', return: B1 }
const C3 = { type: 'div', key: 'C3', return: B2 }
const C4 = { type: 'div', key: 'C4', return: B2 }

A1.child = B1
B1.sibling = B2
B1.child = C1
C1.sibling = C2
B2.child = C3
C3.sibling = C4

module.exports = A1

3.1.2 收集effect list

1. 如果当前节点需要更新，则打tag更新当前节点状态（props, state, context等）；

2. 为每个子节点创建fiber。如果没有产生child fiber，则结束该节点，把effect list归并到return，把此节点的sibling节点作为下一个遍历节点；否则把child节点作为下一个遍历节点；

3. 如果有剩余时间，则开始下一个节点，否则等下一次主线程空闲再开始下一个节点；

4. 如果没有下一个节点了，进入pendingCommit状态，此时effect list收集完毕，结束。

const reconcileChildren = (currentFiber, newChildren) => {
  let newChildIndex = 0
  let prevSibling // 上一个子fiber

  // 遍历子虚拟DOM元素数组，为每个虚拟DOM元素创建子fiber
  while (newChildIndex < newChildren.length) {
    let newChild = newChildren[newChildIndex]
    let tag
    // 打tag，定义 fiber类型
    if (newChild.type === ELEMENT_TEXT) { // 这是文本节点
      tag = TAG_TEXT
    } else if (typeof newChild.type === 'string') {  // 如果type是字符串，则是原生DOM节点
      tag = TAG_HOST
    }
    let newFiber = {
      tag,
      type: newChild.type,
      props: newChild.props,
      stateNode: null, // 还未创建DOM元素
      return: currentFiber, // 父亲fiber
      effectTag: INSERT, // 副作用标识，包括新增、删除、更新
      nextEffect: null, // 指向下一个fiber，effect list通过nextEffect指针进行连接
    }
    if (newFiber) {
      if (newChildIndex === 0) {
        currentFiber.child = newFiber // child为大儿子
      } else {
        prevSibling.sibling = newFiber // 让大儿子的sibling指向二儿子
      }
      prevSibling = newFiber
    }
    newChildIndex++
  }
}

• firstEffect：指向第一个有副作用的子fiber。

• lastEffect：指向最后一个有副作用的子fiber。

// 在完成的时候要收集有副作用的fiber，组成effect list
const completeUnitOfWork = (currentFiber) => {
  // 后续遍历，儿子们完成之后，自己才能完成。最后会得到以上图中的链条结构。
  let returnFiber = currentFiber.return
  if (returnFiber) {
    // 如果父亲fiber的firstEffect没有值，则将其指向当前fiber的firstEffect
    if (!returnFiber.firstEffect) {
      returnFiber.firstEffect = currentFiber.firstEffect
    }
    // 如果当前fiber的lastEffect有值
    if (currentFiber.lastEffect) {
      if (returnFiber.lastEffect) {
        returnFiber.lastEffect.nextEffect = currentFiber.firstEffect
      }
      returnFiber.lastEffect = currentFiber.lastEffect
    }
    const effectTag = currentFiber.effectTag
    if (effectTag) { // 说明有副作用
      // 每个fiber有两个属性：
      // 1）firstEffect：指向第一个有副作用的子fiber
      // 2）lastEffect：指向最后一个有副作用的子fiber
      // 中间的使用nextEffect做成一个单链表
      if (returnFiber.lastEffect) {
        returnFiber.lastEffect.nextEffect = currentFiber
      } else {
        returnFiber.firstEffect = currentFiber
      }
      returnFiber.lastEffect = currentFiber
    }
  }
}

const performUnitOfWork = (currentFiber) => {
  beginWork(currentFiber)
  if (currentFiber.child) {
    return currentFiber.child
  }
  while (currentFiber) {
    completeUnitOfWork(currentFiber)  
    if (currentFiber.sibling) {  
      return currentFiber.sibling
    }
    currentFiber = currentFiber.return 
  }
}

3.2 commit阶段

3.2.1 根据effect list 更新视图

const commitWork = currentFiber => {
  if (!currentFiber) return
  let returnFiber = currentFiber.return
  let returnDOM = returnFiber.stateNode // 父节点元素
  if (currentFiber.effectTag === INSERT) {  // 如果当前fiber的effectTag标识位INSERT，则代表其是需要插入的节点
    returnDOM.appendChild(currentFiber.stateNode)
  } else if (currentFiber.effectTag === DELETE) {  // 如果当前fiber的effectTag标识位DELETE，则代表其是需要删除的节点
    returnDOM.removeChild(currentFiber.stateNode)
  } else if (currentFiber.effectTag === UPDATE) {  // 如果当前fiber的effectTag标识位UPDATE，则代表其是需要更新的节点
    if (currentFiber.type === ELEMENT_TEXT) {
      if (currentFiber.alternate.props.text !== currentFiber.props.text) {
        currentFiber.stateNode.textContent = currentFiber.props.text
      }
    }
  }
  currentFiber.effectTag = null
}

/**
* 根据一个 fiber 的 effect list 更新视图
*/
const commitRoot = () => {
  let currentFiber = workInProgressRoot.firstEffect
  while (currentFiber) {
    commitWork(currentFiber)
    currentFiber = currentFiber.nextEffect
  }
  currentRoot = workInProgressRoot // 把当前渲染成功的根fiber赋给currentRoot
  workInProgressRoot = null
}

3.2.2 视图更新

const workloop = (deadline) => {
  let shouldYield = false // 是否需要让出控制权
  while (nextUnitOfWork && !shouldYield) {
    nextUnitOfWork = performUnitOfWork(nextUnitOfWork)
    shouldYield = deadline.timeRemaining() < 1 // 如果执行完任务后，剩余时间小于1ms，则需要让出控制权给浏览器
  }
  if (!nextUnitOfWork && workInProgressRoot) {
    console.log('render阶段结束')
    commitRoot() // 没有下一个任务了，根据effect list结果批量更新视图
  }
  // 请求浏览器进行再次调度
  requestIdleCallback(workloop, { timeout: 1000 })
}

四、总结

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