React hooks 状态管理方案解析

React hooks 状态管理方案解析
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本文作者:EllieSummer

React v16.8 之后,Function Component 成为主流,React 状态管理的方案也发生巨大的转变。Redux 一直作为主流的 React 状态管理方案,虽然提供了一套规范的状态管理流程,但却有着让人饱受诟病的问题:概念太多、上手成本高、重复的样板代码、需要结合中间件使用等。

一个真正易用的状态管理工具往往不需要过多复杂的概念。Hooks 诞生之后,代码优雅简洁变成一种趋势。开发者也倾向于用一种小而美、学习成本低的方案来实现状态管理。因此,除了 React local state hooks 之外,社区还孵化了很多状态管理库,如 unstated-next、hox、zustand、jotai 等。

关于状态管理,有个非常经典的场景:实现一个计数器,点击 + 号的时候将数字加一,点击 - 号的时候将数值减一。这几乎是所有状态管理库标配的入门案例。

本文将从实现「计数器」这个经典场景出发,逐步分析 Hooks 时代下,React 状态管理方案的演进过程和背后的实现原理。

React local state hooks

React 提供了一些管理状态的原生 hooks API,简洁易懂,非常好上手。用原生的 hooks 方法就可以很轻松地实现计数器功能,只要通过 useState 方法在根组件定义计数器的状态和改变状态的方法,并层层传递给子组件就可以了。

源码

// timer.js
const Timer = (props) => {
  const { increment, count, decrement } = props;
  return (
    <>
      <button onClick={decrement}>-</button>
      <span>{count}</span>
      <button onClick={increment}>+</button>
    </>
  );
};

// app.js
const App = () => {
    const [count, setCount] = React.useState(0);
    const increment = () => setCount(count + 1);
    const decrement = () => setCount(count - 1);

    return <Timer count={count} increment={increment} decrement={decrement} />
}
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但是这种方法存在很严重的缺陷。

首先,计数器的业务逻辑和组件耦合严重,需要将逻辑进行抽象分离,保持逻辑与组件的纯粹性。

其次,多组件内共享状态是通过层层传递的方式实现的,带来冗余代码的同时,根组件的状态将会逐渐变成 “庞然大物”。

unstated-next

React 开发者在设计之初,也考虑到上面提到的两个问题,本身也提供了对应的解决方案。

React Hooks 就是打着「逻辑复用」的口号而诞生的,自定义 hook 可以解决以前在 Class Component 组件内无法灵活共享逻辑的问题。

因此,针对业务逻辑耦合的问题,可以提取一个自定义计数器 hook useCount

function useCount() {
    const [count, setCount] = React.useState(0);
    const increment = () => setCount(count + 1);
    const decrement = () => setCount(count - 1);
    return { count, increment, decrement };
}
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为了避免组件间层层传递状态,可以使用 Context 解决方案。Context 提供了在组件之间共享状态的方法,而不必在树的每个层级显式传递一个 prop 。

因此,只需要将状态存储在 StoreContext 中,Provider 下的任意子组件都可以通过useContext获取到上下文中的状态。

// timer.js
import StoreContext from './StoreContext';

const Timer = () => {
    const store = React.useContext(StoreContext);
    // 组件内 render 部分先省略
}

// app.js
const App = () => {
    const StoreContext = React.createContext();
    const store = useCount();

    return <StoreContext.Provider value={store}><Timer /></StoreContext.Provider>
}
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这样代码看起来清爽了一些。

但是在使用的时候还是免不了要先定义很多 Context,并且在子组件中进行引用,略微有点繁琐。

因此,可以对代码进行进一步的封装,将 Context 定义和引用的步骤抽象成公共的方法 createContainer

function createContainer(useHook) {
	// 定义 context
    const StoreContext = React.createContext();
    
    function useContainer() {
        // 子组件引用 context
        const store = React.useContext(StoreContext);
        return store;
    }

    function Provider(props) {
        const store = useHook();

        return <StoreContext.Provider value={store}>{props.children}</StoreContext.Provider>
    }

    return { Provider, useContainer }
}
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createContainer 封装后会返回两个对象 Provider 和 useContainer。 Provider 组件可以传递状态给子组件,子组件可以通过 useContainer 方法获取全局的状态。经过改造,组件内的代码就会变得非常精简。

const Store = createContainer(useCount);

// timer.js
const Timer = () => {
    const store = Store.useContainer();
    // 组件内 render 部分先省略
}

// app.js
const App = () => {
    return <Store.Provider><Timer /></Store.Provider>
}
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这样,一个基本的状态管理方案成型了!体积小,API 简单,可以说是 React 状态管理库的最小集。源码可以见这里

这种方案也是状态管理库 unstated-next 的实现原理。

hox

先不要高兴得太早。unstated-next 的方案虽好,但也有缺陷的,这也是 React context 广为人诟病的两个问题:

  • Context 需要嵌套 Provider 组件,一旦代码中使用多个 context,将会造成嵌套地狱,组件的可读性和纯粹性会直线降低,从而导致组件重用更加困难。
  • Context 可能会造成不必要的渲染。一旦 context 里的 value 发生改变,任何引用 context 的子组件都会被更新。

那有没有什么方法可以解决上面两个问题呢?答案是肯定的,目前已经有一些自定义状态管理库解决这两个问题了。

从 context 的解决方案里,其实可以得到一些启发。状态管理的流程可以简化成三个模型: Store(存储所有状态)、Hook (抽象公共逻辑,更改状态)、Component(使用状态的组件)。

如果要自定义状态管理库,在脑海中可以先构思下, 这三者之前的关系应该是怎么样的?

https://p6.music.126.net/obj/wonDlsKUwrLClGjCm8Kx/13025055875/731a/c9f6/165e/1109e9e6858bdad5025bfb206584f0b7.png

  • 订阅更新: 初始化执行 Hook 的时候,需要收集哪些 Component 使用了 Store
  • 感知变更: Hook 中的行为能够改变 Store 的状态,也要能被 Store 所感知到
  • 发布更新: Store 一旦变更,需要驱动所有订阅更新的 Component 更新

只要完成这三步,状态管理基本上就完成了。大致思路有了,下面就可以具体实现了。

状态初始化

首先需要初始化 Store 的状态,也就是 Hook 方法执行返回的结果。同时定义一个 API 方法,供子组件获取 Store 的状态。这样状态管理库的模型就搭出来了。

从业务代码使用方法上可以看出,API 简洁的同时,也避免了 Provider 组件嵌套。

// 状态管理库的框架
function createContainer(hook) {
    const store = hook();
    // 提供给子组件的 API 方法
    function useContainer() {
        const storeRef = useRef(store);
        return storeRef.current;
    }
    return useContainer;
}

// 业务代码使用:API简洁
const useContainer = createContainer(useCount);

const Timer = () => {
	const store = useContainer();
    // 组件内 render 部分先省略
}
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订阅更新

为了实现 Store 状态更新的时候,能够驱动组件更新。需要定义一个 listeners 集合,在组件初始化的时候往数组添加 listener 回调,订阅状态的更新。

function createContainer(hook){
    const store = hook();

    const listeners = new Set();    // 定义回调集合
    
    function useContainer() {
        const storeRef = useRef(store);
    
        useEffect(() => {
            listeners.add(listener);  // 初始化的时候添加回调,订阅更新
            
            return () =>  listeners.delete(listener) // 组件销毁的时候移除回调
        },[])
        return storeRef.current;
    }

    return useContainer;
}
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那么当状态更新后,如何驱动组件更新呢? 这里可以利用 useReducer hook 定义一个自增函数,使用 forceUpdate 方法即可让组件重刷。

const [, forceUpdate] = useReducer((c) => c + 1, 0);

function listener(newStore) {
    forceUpdate();
    storeRef.current = newStore;
}
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感知状态变更

状态变更驱动组件更新的部分已经完成。现在比较重要的问题是,如何感知到状态发生变更了呢?

状态变更是在 useCount Hook 函数内实现的,用的是 React 原生的 setState 方法,也只能在 React 组件内执行。因此,很容易想到,如果使用一个函数组件 Executor 引用这个 Hook,那么在这个组件内就可以初始化状态,并感知状态变更了。

考虑到状态管理库的通用性,可以通过 react-reconciler 构造一个 react 渲染器来挂载 Executor 组件,这样就可以分别支持 React、ReactNative 等不同框架。

// 构造 react 渲染器
function render(reactElement: ReactElement) {
  const container = reconciler.createContainer(null, 0, false, null);
  return reconciler.updateContainer(reactElement, container);
}

// react 组件,感知 hook 内状态的变更
const Executor = (props) => {
    const store = props.hook();
    const mountRef = useRef(false);
    
    // 状态初始化
    if (!mountRef.current) {
        props.onMount(store);
        mountRef.current = true;
    }

    // store 一旦变更,就会执行 useEffect 回调
    useEffect(() => {
        props.onUpdate(store); // 一旦状态变更,通知依赖的组件更新
    });

    return null;
};
function createContainer(hook) {
    let store;
    const onUpdate = () => {};

    // 传递hook和更新的回调函数		
    render(<Executor hook={hook} onMount={val => store = val}  onUpdate={onUpdate} />);

    function useContainer() {}
    return useContainer;
}
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精确更新

一旦感知到状态变更后,在 onUpdate 回调里可以通知之前订阅过更新的组件重新渲染,也就是遍历 listeners 集合,执行之前添加的更新回调。

const onUpdate = (store) => {
    for (const listener of listeners) {
      listener(store);
    }
}
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但是,组件往往可能只依赖了 Store 里的某一个状态,所有组件都更新的操作太粗暴,会带来不必要的更新,需要进行精确的更新渲染。因此,可以在组件的更新回调里判断当前依赖的状态是否变化,从而决定是否触发更新。

// useContainer API 扩展增加依赖属性
const store = useContainer('count'); // 组件仅依赖store.count值

// 更新回调里判断
function listener(newStore) {
    const newValue = newStore[dep];          
    const oldValue = storeRef.current[dep];

    // 仅仅在依赖发生变更,才会组件进行更新
    if (compare(newValue, oldValue)) {
        forceUpdate();
    }
    storeRef.current = newStore;
}
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完成以上的步骤,一个简单又好用的状态管理库就实现啦!源码可以看这里。 状态更新的流程如下图所示。

API 简洁,逻辑和 UI 分离,能跨组件传输状态,没有冗余的嵌套组件,并且能实现精确更新。

这也是状态管理库 hox 背后的实现原理。

zustand

关于如何感知状态变更这一节中,因为 useCount 函数中是通过操作 react 原生 hook 方法实现状态变更的,所以我们需要用 Executor 作为中间桥梁来感知状态变更。

但是,这其实是一种委屈求全的方案,不得已将方案复杂化了。试想下,如果变更状态的方法 setState 是由状态管理库自身提供的,那么一旦执行该方法,就可以感知状态变更,并触发后续的比较更新操作,整体流程会简单很多!

// 将改变状态的 setState 方法传递给 hook
// hook内一旦执行该方法,即可感知状态变更,拿到最新的状态
function useCount(setState) {
  const increment = () => setState((state) => ({ ...state, count: state.count + 1 }));
  const decrement = () => setState((state) => ({ ...state, count: state.count - 1 }));
  return { count: 0, increment, decrement };
}

复制代码
function createContainer(hook) {
    let store;
    
    const setState = (partial) => {
        const nexStore = partial(store);
		// hook中一旦执行 setState 的操作,且状态变更后,将触发 onUpdate 更新
        if(nexStore !== store){
            store = Object.assign({}, store, nexStore);
            onUpdate(store);
        }
    };
    // 将改变状态的方法 setState 传递给hook函数
    store = hook(setState);
}

const useContainer = createContainer(useCount);
复制代码

这种方案更加高明,让状态管理库的实现更加简洁明了,库的体积也会小不少。源码可见这里

这种方案是 zustand 背后的大致原理。虽然需要开发者先熟悉下对应的写法,但是 API 与 Hooks 类似,学习成本很低,上手容易。

总结

本文从实现一个计数器场景出发,阐述了多种状态管理的方案和具体实现。不同状态管理方案产生都有着各自的背景,也有着各自的优劣。

但是自定义状态管理库的设计思想都是差不多的。目前开源社区比较活跃的状态管理库大多是如此,不同点主要是在如何感知状态变更这块做些文章。

看完本文,想必你已经知道如何进行 React Hooks 下的状态管理了,那就赶紧行动吧!

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