React Diff算法

梨子同志
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1 Diff算法的基本概念与核心作用

Diff算法是React虚拟DOM技术的核心组成部分，它负责比较两棵虚拟DOM树的差异，并计算出最高效的更新策略。React通过Diff算法找到变化的最小单元，从而避免不必要的真实DOM操作，提升渲染性能。在React开发中，性能优化很大程度上依赖于对Diff算法原理的理解。

1.1 什么是Diff算法

Diff算法是一种用于比较树结构差异的算法。在React中，当组件的state或props发生变化时，会重新渲染生成新的虚拟DOM树，Diff算法则负责比较新树与旧树之间的区别。其核心目标是以最小的开销（操作次数）完成从旧树到新树的转换。React的Diff算法采用深度优先遍历策略，从根节点开始逐层比较，识别出需要更新的节点、添加的新节点和删除的废弃节点。

与传统图形算法相比，React的Diff算法并不追求找到最小操作路径（这需要O(n^2)的时间复杂度），而是基于以下两个假设实现了O(n)的时间复杂度：

  • 不同类型元素产生不同树结构：如果元素类型改变，则直接销毁整个子树并重建
  • 通过key属性标识稳定元素：key帮助React识别哪些元素是相同的，哪些发生了变化

1.2 Diff算法在React中的重要性

在React的整体渲染流程中，Diff算法处在协调阶段（Reconciliation） 的核心位置。它的输出是一系列需要应用到真实DOM上的操作指令，这些指令将在提交阶段（Commit）被执行。一个高效的Diff算法直接影响以下方面：

  • 渲染性能：减少不必要的DOM操作次数
  • 用户体验：避免页面卡顿，保证交互流畅性
  • 开发体验：开发者无需手动优化更新过程

下面是Diff算法在React工作流程中的位置及其影响方面的对比：

方面没有Diff算法有Diff算法
DOM操作次数每次更新全部重新渲染只更新变化部分
时间复杂度O(n)每次更新O(n)比较+最小化操作
内存占用较低（无额外对象）较高（维护虚拟DOM）
开发复杂度高（需手动优化）低（自动优化）

1.3 React Diff算法的设计目标

React的Diff算法主要围绕以下三个设计目标进行优化：

  1. 类型一致性检查：如果元素类型不同，则完全重建子树。这一策略基于实际开发中类型变化通常导致结构大幅改变的观察。
  2. Key稳定性优化：对于列表元素，使用key属性来标识元素的稳定性，帮助React识别元素的移动、添加和删除操作。
  3. 层次结构一致性：只比较同一层次的节点，不跨层级比较。这一策略将算法复杂度从O(n2)降低到O(n)。

2 React中的Diff算法原理

React的Diff算法采用分层比较策略，通过三个级别的优化将算法复杂度从O(n2)降低到O(n)。这种设计基于对实际Web应用开发模式的观察：跨层级移动节点的情况较少出现，而相同类型组件通常会产生相似结构。下面我们将深入分析React Diff算法的三级策略。

2.1 Tree Diff：树层级比较

Tree Diff是Diff算法的第一层级，它负责比较两棵树在同一层次的节点。React不会跨层级比较节点，而是采用深度优先遍历算法，递归比较所有子节点。如果发现某一节点不再存在，则会直接销毁该节点及其所有子节点。

这种策略基于一个重要观察：用户界面很少发生跨层级的节点移动。大多数情况下，节点只会在同一父节点下进行移动。如果确实发生了跨层级移动，React会将其视为先删除旧节点、再创建新节点的操作。虽然这可能导致一定的性能损耗，但在实际应用中这种情况相对少见。

// 旧树
<div>
  <ComponentA />
</div>

// 新树（ComponentA移动到子层级）
<div>
  <p>
    <ComponentA /> {/* 会被销毁并重新创建 */}
  </p>
</div>

2.2 Component Diff：组件层级比较

Component Diff是Diff算法的第二层级，它负责比较相同类型的组件。当组件类型相同时，React会递归比较组件的子树；当组件类型不同时，React会直接销毁整个组件及其子树，并创建新的组件。

React通过组件类型识别来确定是否需要更新。即使是相同类型的组件，React也提供了shouldComponentUpdate生命周期方法和React.memo优化手段，允许开发者控制是否进行更新检查，这可以进一步优化性能。

// 旧组件
<Button onClick={handleClick} />

// 新组件（类型变化）
<Link onClick={handleClick} /> {/* 触发完整卸载和挂载 */}

2.3 Element Diff：元素层级比较

Element Diff是Diff算法的第三层级，它负责比较同一父节点下的子节点列表。这是最为复杂的一层，也是性能优化的关键所在。React通过key属性来识别列表中的元素，判断元素是新增、删除还是移动。

在没有key的情况下，React会默认使用索引（index）作为标识，这可能导致在列表中间插入元素时性能下降和状态错乱。因此，为列表元素提供稳定且唯一的key是优化Diff性能的重要实践。

// 错误示例：使用数组索引作为key
{items.map((item, index) => (
  <li key={index}>{item.text}</li> // 可能导致问题
))}

// 正确用法：使用唯一ID作为key
{items.map(item => (
  <li key={item.id}>{item.text}</li> // 唯一且稳定的标识
))}

2.4 React Diff算法的核心策略与优化

React Diff算法通过以下核心策略实现高效更新：

策略类型具体实现性能提升适用场景
同级比较只比较同一层级节点从O(n2)到O(n)所有节点比较
组件类型判断类型不同直接替换避免无效对比组件更新
Key优化稳定标识元素减少DOM操作列表渲染
批量更新合并多次更新减少重复渲染状态更新

3 React 18 Diff算法的源码实现

要深入理解React的Diff算法，我们需要直接分析其源码实现。React的Diff算法主要位于react-reconciler包中，特别是ChildReconciler相关的函数。下面我们将从单节点Diff和多节点Diff两个角度，结合源码分析其具体实现。

3.1 核心源码结构与入口函数

React的Diff算法入口位于reconcileChildFibers函数，它根据子节点的类型（单一节点还是数组）决定调用哪种Diff函数。这个函数是ChildReconciler工厂函数的返回值，接收一个布尔参数shouldTrackSideEffects用于标识是否需要跟踪副作用。

// reconcileChildFibers，和内部方法同名
export const reconcileChildFibers = ChildReconciler(true);

// mountChildFibers 是在一个节点从无到有的情况下调用
export const mountChildFibers = ChildReconciler(false);

function reconcileChildFibers(
  returnFiber,
  currentFirstChild,
  newChild,
  lanes
) {
  // newChild 可能是数组或对象
  // 如果是数组，那它的 $$typeof 就是 undefined
  switch (newChild.$$typeof) {
    case REACT_ELEMENT_TYPE:
      // 单节点 diff
      return placeSingleChild(
        reconcileSingleElement(
          returnFiber,
          currentFirstChild,
          newChild,
          lanes
        )
      );
    // ...
  }

  // 多节点 diff
  if (isArray(newChild)) {
    return reconcileChildrenArray(
      returnFiber,
      currentFirstChild,
      newChild,
      lanes
    );
  }
}

3.2 单节点Diff实现

单节点Diff由reconcileSingleElement函数实现，它处理新节点为单一元素的情况（即使旧节点有多个兄弟节点）。该函数通过遍历旧节点的兄弟链表，寻找可以复用的节点。

3.2.1 单节点Diff的三种情况

单节点Diff过程中，React会遇到三种主要情况，每种情况有不同的处理逻辑：

function reconcileSingleElement(
  returnFiber, // 父 fiber
  currentFirstChild, // 更新前的 fiber
  element, // 新的 ReactElement
) {
  const key = element.key;
  let child = currentFirstChild;

  while (child !== null) {
    if (child.key === key) {
      const elementType = element.type;
      // key 相同，且类型相同（比如新旧都是 div 类型）
      // 则走 "更新" 逻辑
      if (child.elementType === elementType) {
        // 【分支 1】
        // 将旧节点后所有的 sibling 打上删除 tag
        deleteRemainingChildren(returnFiber, child.sibling);
        // 创建 WorkInProgress，也就是原来 fiber 的替身啦
        const existing = useFiber(child, element.props.children);
        existing.return = returnFiber;
        return existing;
      } else {
        //【分支 2】
        deleteRemainingChildren(returnFiber, child);
        break;
      }
    } 
    // 当前节点 key 不匹配，将它标记为待删除
    else {
      // 【分支 3】
      deleteChild(returnFiber, child);
    }
    // 取下一个兄弟节点，继续做对比
    child = child.sibling;
  }

  // 执行到这里说明没发现可复用节点，需要创建一个 fiber 出来
  const created = createFiberFromElement(element, returnFiber.mode, lanes);
  created.return = returnFiber;
  return created;
}

单节点Diff的三种情况可以用以下表格概括：

情况key比较type比较处理方式性能影响
分支1相同相同复用现有节点，删除兄弟节点最优（复用）
分支2相同不同删除所有旧节点，创建新节点较差（重建）
分支3不同不限标记当前节点删除，继续比较兄弟中等（继续比较）

3.2.2 节点复用与删除逻辑

当找到可复用的节点时（分支1），React会调用useFiber函数克隆现有fiber节点并更新属性，这比创建全新fiber性能更好。同时，通过deleteRemainingChildren将不再需要的兄弟节点标记为删除，这些节点将在提交阶段被实际移除。

删除标记并不会立即执行DOM操作，而是记录在父fiber的deletions数组中，在commit阶段统一处理。这种批处理策略避免了频繁的DOM操作，提高了性能。

3.3 多节点Diff实现

多节点Diff由reconcileChildrenArray函数实现，处理新节点为数组的情况。这是最复杂的Diff场景，React采用四阶段算法来高效处理列表更新。

3.3.1 多节点Diff的四个阶段

多节点Diff过程分为四个阶段，每个阶段处理特定的优化场景：

  1. 第一阶段：从左向右遍历 - 比较相同位置的节点，直到找到第一个key不匹配的节点
  2. 第二阶段：处理剩余节点 - 根据旧节点构建key映射表，处理新增、移动和删除操作
  3. 第三阶段：标记不需要的节点 - 将旧树中未被复用的节点标记为删除
  4. 第四阶段：处理节点移动 - 确定节点的最终位置，生成操作序列

3.3.2 键映射表与节点复用

React的核心优化策略是为剩余的新节点构建一个键映射表（key map），然后遍历旧节点，检查哪些节点可以复用：

// 伪代码：构建键映射表
function mapRemainingChildren(returnFiber, currentFirstChild) {
  const existingChildren = new Map();
  let existingChild = currentFirstChild;
  
  while (existingChild !== null) {
    if (existingChild.key !== null) {
      existingChildren.set(existingChild.key, existingChild);
    } else {
      // 对于没有key的节点，使用index作为备选
      existingChildren.set(existingChild.index, existingChild);
    }
    existingChild = existingChild.sibling;
  }
  return existingChildren;
}

通过这个映射表，React可以快速查找具有特定key的旧节点，从而判断是复用现有节点还是创建新节点。

3.3.3 移动与位置优化

在确定哪些节点需要移动时，React采用lastIndex算法：记录当前已处理节点在旧集合中的最大索引，如果后续遇到节点的旧索引小于这个lastIndex，说明需要移动。

这种算法简单高效，但并非总能找出最小移动操作。例如，将列表[A,B,C,D]变为[D,A,B,C]时，React需要移动A、B、C三个节点，而非仅移动D一次。尽管不是最优解，但这种算法在性能和结果之间取得了良好平衡。

3.4 Fiber架构对Diff算法的影响

React 16引入的Fiber架构重构了Diff算法的实现方式。Fiber节点采用双链表结构（通过child、sibling和return指针连接），替代了之前递归树结构，使得遍历过程可以暂停和恢复。

Fiber架构下的Diff过程采用双缓存技术：当前页面对应current树，正在构建的更新对应workInProgress树。Diff算法完成后，workInProgress树成为新的current树。这种设计支持了React的并发渲染能力，使高优先级更新能够中断低优先级更新。

4 React 18并发特性对Diff算法的影响

React 18引入的并发渲染特性显著改变了Diff算法的执行环境，使其能够在不阻塞主线程的情况下执行复杂的Diff计算。这一变化通过时间切片、优先级调度和可中断渲染等特性实现，大幅提升了大型应用的交互性能。

4.1 可中断渲染与时间切片

传统Diff算法一旦开始就必须执行完成，可能会长时间阻塞主线程，导致页面卡顿。React 18通过可中断渲染解决了这一问题：将Diff过程分解为多个小任务，每帧执行一部分，必要时可以暂停渲染过程以处理更高优先级的用户交互。

时间切片（Time Slicing）机制将Diff工作分成5ms左右的小块，允许浏览器在任务间隙响应输入事件。这意味着即使大型列表的Diff计算需要较长时间，也不会完全阻塞用户交互。

// 时间切片示例：通过shouldYield检查是否需要中断
function workLoopConcurrent() {
  while (workInProgress !== null && !shouldYield()) {
    performUnitOfWork(workInProgress);
  }
}

4.2 优先级调度与选择性 hydration

React 18引入了基于优先级的调度系统，将更新分为不同优先级等级：

  • 紧急更新：用户交互（如输入、点击）需要立即响应
  • 过渡更新：页面切换等可以稍后处理的任务
  • 常规更新：数据获取等后台任务

Diff算法会根据更新优先级调整处理顺序，确保高优先级更新优先处理。此外，选择性hydration特性允许React优先hydration交互相关组件，进一步提升感知性能。

4.3 并发模式下的Diff算法适应

为了适应并发特性，Diff算法需要解决中断恢复一致性问题：即使Diff过程被中断，恢复后仍需保证UI的正确性。React通过以下机制实现这一点：

  • Fiber结构的持久化：Fiber节点包含完整的状态信息，支持中断后恢复
  • 进度保存：记录已完成的Diff工作，避免重复计算
  • 原子操作：单个组件的Diff过程不可中断，保证组件一致性

下面是并发模式对Diff算法影响的对比：

方面传统模式并发模式影响
执行方式同步阻塞可中断异步更流畅的交互
优先级先进先出基于优先级调度关键更新优先处理
时间复杂度O(n)O(n)但可分片避免长时间阻塞
内存使用较低较高（需保存状态）更多内存占用
一致性保证始终一致最终一致可能需要额外处理

4.4 useTransition与startTransition API

React 18提供了useTransition和startTransitionAPI，允许开发者明确标记非紧急更新，使其可以被更高优先级任务中断。这优化了Diff过程的资源分配，确保用户交互不会因大量Diff计算而卡顿。

const [isPending, startTransition] = useTransition();

const handleInput = (e) => {
  setInputValue(e.target.value); // 高优先级（立即更新）
  startTransition(() => {
    setSearchQuery(e.target.value); // 低优先级（可中断）
  });
};

5 React Diff算法的性能优化与实践

理解Diff算法原理的最终目的是为了优化应用性能。通过遵循React的优化建议和避免常见误区，开发者可以显著提升应用的渲染性能。本节将介绍针对Diff算法的优化技巧和最佳实践。

5.1 键（Key）优化的正确使用

键（Key）是优化列表Diff性能的最重要工具。一个好的键应该满足以下条件：

  • 稳定性：在同一列表中保持不变
  • 唯一性：在兄弟节点中唯一标识元素
  • 可预测性：不应使用随机数或索引（除非静态列表）
// 错误示范：使用索引作为key（在动态列表中）
{items.map((item, index) => (
  <ListItem key={index} item={item} />
))}

// 正确示范：使用唯一ID作为key
{items.map(item => (
  <ListItem key={item.id} item={item} />
))}

5.2 组件优化技巧

通过优化组件实现，可以减少不必要的Diff计算：

  • React.memo：包装函数组件，避免不必要的重新渲染
  • PureComponent：类组件中实现浅比较shouldComponentUpdate
  • shouldComponentUpdate：自定义更新判断逻辑，避免不必要的Diff
// 使用React.memo优化函数组件
const MyComponent = React.memo(function MyComponent(props) {
  // 组件内容
});

// 使用PureComponent优化类组件
class MyComponent extends React.PureComponent {
  render() {
    return <div>{this.props.value}</div>;
  }
}

5.3 结构优化与常见误区

组件结构设计直接影响Diff效率，以下是一些常见优化策略：

  • 减少嵌套深度：扁平结构减少Diff节点数量
  • 稳定结构：避免频繁变更组件类型
  • 样式提取：将频繁变化的样式与稳定组件分离

常见误区包括：

  • 在render中创建新引用：导致子组件不必要的更新
  • 滥用内联函数：每次渲染创建新函数引用，破坏组件优化
  • 不必要的片段：增加DOM层级，影响Diff性能

5.4 性能分析工具与调试

React提供了多种性能分析工具，帮助开发者识别Diff性能问题：

  • React DevTools Profiler：分析组件渲染性能，识别不必要的更新
  • React.memo/useMemo：通过记忆化避免重复计算
  • 关键性能指标：监控FPS、交互延迟等核心指标
// 使用React.memo避免重复渲染
const ExpensiveComponent = React.memo(({ data }) => {
  // 昂贵渲染操作
  return <div>{processData(data)}</div>;
});

// 使用useMemo记忆化昂贵计算
function MyComponent({ items }) {
  const processedItems = useMemo(() => {
    return items.map(processItem);
  }, [items]); // 仅当items变化时重新计算
  
  return <List items={processedItems} />;
}

5.5 与其他框架Diff算法的对比

了解React与其他框架Diff算法的差异，有助于做出更合理的技术选期。下面是React与Vue2、Vue3的Diff算法对比：

方面ReactVue2Vue3
核心算法单向遍历+lastIndex双端比较双端比较+最长递增子序列
时间复杂度O(n)O(n)O(n log n)
移动优化相对简单中等最优（最小移动）
编译时优化无有限丰富（静态提升等）
并发支持有（时间切片）无无

从对比可以看出，React的Diff算法在移动优化方面相对简单，但通过并发特性提供了更流畅的用户体验。Vue3则通过编译时优化和最长递增子序列算法，实现了更高效的DOM移动操作。

总结

React 18的Diff算法通过三级策略（Tree Diff、Component Diff、Element Diff）实现了高效的虚拟DOM比较，将算法复杂度从O(n2)优化到O(n)。基于Fiber架构的可中断渲染和优先级调度进一步提升了大型应用的交互体验。

在实际开发中，通过正确使用key、组件记忆化和结构优化可以显著提升Diff性能。同时，React 18的并发特性如startTransition和useTransition为复杂界面的流畅交互提供了新解决方案。

理解React Diff算法的内部机制不仅有助于性能优化，更能加深对React设计哲学的理解，为构建高性能React应用奠定坚实基础。

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