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从零实现一个简化版React Fiber

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既然提到了Fiber,首先需要知道的是,为什么会产生Fiber这个东西,出现的原因是什么。

Fiber 之前的 React

在React 16引入Fiber之前, React采用的是递归虚拟DOM树,找出需要变动的节点。

我们可以用一段代码来简易的模拟下。

const element = (
    <div id='A1'>
        <div id='B1' className='B11'>
            <div id='C1'></div>
            <div id='C11'></div>
        </div>
        <div id='B2' className='B11'>
            <div id='C2'></div>
        </div>
    </div>
);

function render(element, parentDom) {
    const dom = document.createElement(element.type);

    Object.keys(element.props)
        .filter((ele) => ele !== "children")
        .forEach((item) => {
            dom[item] = element.props[item];
        });

    if (Array.isArray(element.props.children)) {
        element.props.children.forEach((item) => render(item, dom));
    } else if (
        element.props.children &&
        Object.keys(element.props.children).length !== 0
    ) {
        render(element.props.children, dom);
    }

    parentDom.appendChild(dom);
}

render(element, document.getElementById("root"));
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由于采用的是递归方法, 执行栈会越来越深, 而且存在不能中断的问题。随着项目越来越大, 这种问题也会越来越严重, 递归越来越深, 就会十分卡顿。

比方说现在有100个组件,每个组件渲染需要耗费1s, 全部渲染完就是100s, 如果这100s中用户输入了一段内容,这段内容只会在100s以后显示, 这会给用户一种卡顿的印象。

前置内容

实现Fiber之前, 我们需要先学习几个知识点。

屏幕刷新率

目前大部分设备的刷新率为60次/秒, 这说明每秒绘制的帧数达到60时, 整体的页面效果是流畅的, 低于这个数值, 用户会感觉到卡顿。

由于每秒绘制的帧数是60, 所以很明显可以得出每帧的时间大概是16.6ms (1s/60)。

每帧需要执行的内容如下所示:

走进React Fiber的世界

  1. 首先需要处理输入事件,能够让用户得到最早的反馈;
  2. 接下来是处理定时器,需要检查定时器是否到时间,并执行对应的回调;
  3. 接下来处理 Begin Frame(开始帧),即每一帧的事件,包括 window.resize、scroll、media query change 等;
  4. 接下来执行请求动画帧 requestAnimationFrame(rAF),即在每次绘制之前,会执行 rAF 回调;
  5. 紧接着进行 Layout 操作,包括计算布局和更新布局,即这个元素的样式是怎样的,它应该在页面如何展示;
  6. 接着进行 Paint 操作,得到树中每个节点的尺寸与位置等信息,浏览器针对每个元素进行内容填充;
  7. 到这时以上的六个阶段都已经完成了,接下来处于空闲阶段,可以在这时执行 requestIdleCallback 里注册的任务;

需要注意的是, 每一帧里面不是百分百会有空闲时间, 如果某个任务执行时间过长, 浏览器就会推迟渲染。

Fiber概念

Fiber可以理解成两个概念, 第一个是数据结构,第二个是执行单元。

数据结构

React Fiber采用链表实现, 每个节点都是一个fiber, 每个fiber包括了child、sibling、return等属性。

child: 第一个子节点
sibling: 兄弟节点
return: 父节点

如下图所示:

具体的Fiber信息可以通过以下方法查看

对应的DOM元素右键 store as global variable, 出现如下

输入temp1.__reactInternalInstance$3qy8wj4jygh ( temp1. 即可, 后面有智能提示 )

tag: 当前Fiber节点的类型
stateNode: 只想当前节点的真实DOM
return: 当前节点的父节点
sibling: 当前节点的兄弟节点
child: 当前节点的第一个子节点
effectTag: 当前节点的副作用类型

执行单元

Fiber可以理解成一个执行单元, 我们暂且不管这个执行单元的结构是什么样的, 将他视为一个执行单元, 每次执行完一个单元, React就会检查是否还有剩余时间。

流程如下图所示

走进React Fiber的世界

  1. React向浏览器请求调度
  2. 浏览器空闲时间把控制权交给React
  3. React 判断是否存在未执行任务, 是否还有空闲时间, 都满足时执行任务, 否则把控制权返还给浏览器

API

requestAnimationFrame

浏览器提供的绘制动画的 api 。它要求浏览器在下一帧之前调用指定的回调函数更新动画

具体看以下的例子

<body>
    <div
        id="div"
        style="width: 0; height: 50px; background-color: #40a9ff"
    ></div>
    <button id="button">开始</button>
</body>
<script>
    let button = document.getElementById("button");
    let div = document.getElementById("div");

    let start = 0;
    let intervalTime = [];

    const progress = () => {
        div.style.width = div.offsetWidth + 1 + "px";
        div.innerHTML = div.offsetWidth + "%";
        if (div.offsetWidth < 100) {
            let current = Date.now();
            intervalTime.push(current - start);
            start = current;
            requestAnimationFrame(progress);
        } else {
            console.log(intervalTime); // 打印时间间隔
        }
    };

    button.onclick = () => {
        div.style.width = 0;
        let currrent = Date.now();
        start = currrent;
        requestAnimationFrame(progress);
    };
</script>
复制代码

requestIdleCallback

requestIdleCallback可以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。

详情参考MDN

具体执行流程如下

走进React Fiber的世界

requestIdleCallback(callback) 中的callback有两个属性

timeRemaining: 还剩余多少闲置时间可以用来执行耗时任务
didTimeout: 判断当前的回调函数是否被执行

const works = [
    () => {
        console.log("A1开始");
        console.log("A1结束");
    },
    () => {
        console.log("B1开始");
        console.log("B1结束");
    },
    () => {
        console.log("C1开始");
        console.log("C1结束");
    },
    () => {
        console.log("C2开始");
        console.log("C2结束");
    },
    () => {
        console.log("B2开始");
        console.log("B2结束");
    },
];

requestIdleCallback(woorkLoop);

function woorkLoop(deadline) {
    console.log("本帧的剩余时间:", deadline.timeRemaining());

    // 如果还有剩余时间,并且还有没有完成的任务
    while (deadline.timeRemaining() > 0 && works.length > 0) {
        performUnitOfWork();
    }
}

function performUnitOfWork() {
    let work = works.shift(); // 取出第一个任务,执行
    work();
}
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假如中间某一个任务执行时间特别长,超过了一帧的空闲时间。

const works = [
    () => {
        console.log("A1开始");
        sleep(20);
        console.log("A1结束");
    },
    () => {
        console.log("B1开始");
        sleep(20);
        console.log("B1结束");
    },
    () => {
        console.log("C1开始");
        sleep(20);
        console.log("C1结束");
    },
    () => {
        console.log("C2开始");
        sleep(20);
        console.log("C2结束");
    },
    () => {
        console.log("B2开始");
        sleep(20);
        console.log("B2结束");
    },
];

requestIdleCallback(woorkLoop);

function woorkLoop(deadline) {
    console.log("本帧的剩余时间:", deadline.timeRemaining());

    // 如果还有剩余时间,并且还有没有完成的任务
    while (deadline.timeRemaining() > 0 && works.length > 0) {
        performUnitOfWork();
    }

    // 时间用完,还有没完成的任务
    if (works.length > 0) {
        console.log(
            `只剩${deadline.timeRemaining()},本帧时间已经用完,请等待下次调度`
        );
        // 重新请求调度
        requestIdleCallback(woorkLoop);
    }
}

function performUnitOfWork() {
    let work = works.shift(); // 取出第一个任务,执行
    work();
}

// 模拟等待时间
function sleep(duration) {
    let start = Date.now();
    while (start + duration > Date.now()) {}
}
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可以发现任务分成了多帧执行,但是会发现一个问题C1,C2,B2在一起执行了,空闲时间也很明显超过了一帧正常的时间。

这是因为浏览器如果长时间处于空闲状态,会把requestIdleCallback的执行时间适当的拉长,最大可以达到50ms。

可以用requestAnimationFrame来验证。

requestAnimationFrame(progress);

function progress() {
    console.log("progress");
    requestAnimationFrame(progress);
}
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MessageChannel

上面我们提到了请求浏览器调度的方法用的是requestIdleCallback,但是这个方法有个问题,我们可以看一下这个api的兼容性。

可以发现有部分浏览器不支持该方法,所以React模拟了一个requestIdleCallback, 基于MessageChannel

大概介绍下用法,不做详细解释。

var channel = new MessageChannel();
var port1 = channel.port1;
var port2 = channel.port2;
port1.onmessage = function (event) {
    console.log("port1收到来自port2的数据:" + event.data);
};
port2.onmessage = function (event) {
    console.log("port2收到来自port1的数据:" + event.data);
};

port1.postMessage("发送给port2");
port2.postMessage("发送给port1");
复制代码

MessageChannel 通过调用 requestAnimationFrame 来模拟 requestIdleCallback,具体如下。

let channel = new MessageChannel();
let activeTime = 1000 / 16; // 每帧的时间
let deadLineTime; // 一帧截止时间
let pendingCallback; 
let timeRemaining = () => deadLineTime - performance.now(); // 剩余时间

channel.port2.onmessage = () => {
    let currentTime = performance.now();
    // 帧的截止时间是否小于当前时间,小于时,当前帧已过期
    let didTimeout = deadLineTime <= currentTime;

    if ((didTimeout || timeRemaining() > 0) && pendingCallback) {
        pendingCallback({ didTimeout, timeRemaining });
    }
};

window.requestIdleCallback = (callback) => {
    requestAnimationFrame((rafTime) => {
        console.log(rafTime);
        // 每一帧开始时间加上16.6就是截止时间
        deadLineTime = rafTime + activeTime;
        pendingCallback = callback;
        // 添加一个宏任务,绘制结束以后执行
        channel.port1.postMessage("hello");
    });
};
复制代码

以上就是Fiber的前置知识。

实现React Fiber

Fiber分成两个阶段

协调阶段 ( Reconcilation ) : 可中断, 找出所有的变更, 例如节点新增, 删除, 属性变更等等 (以下生命周期会在这个阶段调用)

  1. componentWillMount
  2. componentWillReceiveProps
  3. static getDerivedStateFromProps
  4. shouldComponentUpdate
  5. componentWillUpdate

提交阶段 ( commit 阶段 ) : 不可中断, 执行变更 (以下生命周期会在这个阶段调用)

  1. componentDidMount
  2. componentDidUpdate
  3. componentWillUnmount

Reconcilation

1、先遍历当前节点的子节点,后弟弟节点, 最后叔叔节点
2、自己的所有的子节点完成后, 自己完成

这个阶段需要找出所有的节点变更, 这些变更在React中被称为副作用 (Effect), 遍历规则如图所示

// 根节点
let workInProgressRoot = {
    stateNode: container, // 此fiber对应的dom节点
    props: {
        children: [element],
    },
};

// 下一个工作单元
let nextUnitOfWork = workInProgressRoot;

function workLoop() {
    // 存在下一个工作单元时执行,并返回下一个工作单元
    while (nextUnitOfWork) {
        nextUnitOfWork = performanceUnitOfWork(nextUnitOfWork);
    }

    if (!nextUnitOfWork) {
        commitRoot();
    }
}

function performanceUnitOfWork(workInProgressFiber) {
    // 1. 创建真实DOM,并没有挂载  2. 创建fiber树
    beginWork(workInProgressFiber);

    // 首先遍历子节点
    if (workInProgressFiber.child) {
        return workInProgressFiber.child;
    }

    while (workInProgressFiber) {
        // 如果没有儿子,当前节点其实已经结束了
        completeUnitOfWork(workInProgressFiber);
        
        // 遍历兄弟节点
        if (workInProgressFiber.sibling) {
            return workInProgressFiber.sibling;
        }

        // 遍历父节点
        workInProgressFiber = workInProgressFiber.return;
    }
}

function beginWork(workInProgressFiber) {
    console.log("beginWork", workInProgressFiber.props.id);

    // 只创建元素,不挂载
    if (!workInProgressFiber.stateNode) {
        workInProgressFiber.stateNode = document.createElement(
            workInProgressFiber.type
        );

        for (let key in workInProgressFiber.props) {
            if (key !== "children") {
                workInProgressFiber.stateNode[key] =
                    workInProgressFiber.props[key];
            }
        }
    }

    // 创建子fiber
    let prevFiber;
    if (Array.isArray(workInProgressFiber.props.children)) {
        workInProgressFiber.props.children.forEach((item, index) => {
            let childFiber = {
                type: item.type,
                props: item.props,
                return: workInProgressFiber, // 当前节点的父节点
                effectTag: "PLACEMENT", // 标记,表示对应DOM需要被插入到页面
            };

            // 把第一个子节点挂载到当前节点的child上,其余的子节点,挂载到第一个子节点的sibling
            if (index === 0) {
                workInProgressFiber.child = childFiber;
            } else {
                prevFiber.sibling = childFiber;
            }

            prevFiber = childFiber;
        });
    }
}
复制代码

副作用的收集

遍历Fiber树,将有副作用的节点收集起来,形成一个单向链表。

每个节点向上归并effect list, firstEffect表示第一个有副作用的子Fiber, lastEffect指最后一个有副作用的子Fiber, 中间通过nextEffect来形成单向链表。

effect list 顺序与fiber节点遍历的完成顺序一致。

function completeUnitOfWork(workInProgressFiber) {
    console.log("completeUnitOfWork", workInProgressFiber.props.id);
    // 构建副作用
    let returnFiber = workInProgressFiber.return; // 父节点

    if (returnFiber) {
        // 把当前fiber的有副作用子链表挂载到父节点
        if (!returnFiber.firstEffect) {
            returnFiber.firstEffect = workInProgressFiber.firstEffect;
        }

        if (workInProgressFiber.lastEffect) {
            if (returnFiber.lastEffect) {
                returnFiber.lastEffect.nextEffect =
                    workInProgressFiber.firstEffect;
            }

            returnFiber.lastEffect = workInProgressFiber.lastEffect;
        }

        // 挂载自己
        if (workInProgressFiber.effectTag) {
            if (returnFiber.lastEffect) {
                returnFiber.lastEffect.nextEffect = workInProgressFiber;
            } else {
                returnFiber.firstEffect = workInProgressFiber;
            }
            returnFiber.lastEffect = workInProgressFiber;
        }
    }
}
复制代码

commit

根据effect list 更新视图。


function workLoop() {
    // 存在下一个工作单元时执行,并返回下一个工作单元
    while (nextUnitOfWork) {
        nextUnitOfWork = performanceUnitOfWork(nextUnitOfWork);
    }

    if (!nextUnitOfWork) {
        commitRoot();
    }
}


// 插入页面
function commitRoot() {
    let currentFiber = workInProgressRoot.firstEffect;

    while (currentFiber) {
        if (currentFiber.effectTag === "PLACEMENT") {
            currentFiber.return.stateNode.appendChild(currentFiber.stateNode);
        }

        currentFiber = currentFiber.nextEffect;
    }

    workInProgressRoot = null;
}
复制代码

完整的代码可以查看:github地址

总结

本文只是简易的实现一个React Fiber,简单的介绍下了React Fiber的原理, 引入Fiber 的原因, 但是还是有很多的东西没有介绍, 比如任务调度的优先级, 任务中断与恢复等, 感兴趣的可以自己去查看下源码

站在巨人的肩膀上

本文只是简单的介绍, 实际上React的实现比本文要复杂的多, 如果想深入了解, 可以阅读以下的文章


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