从零实现一个简易版 React:深入理解 Fiber 架构与协调算法

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前言

在当今的前端开发领域,React 无疑是最受欢迎的 UI 库之一。然而,对于许多开发者来说,React 的内部工作机制仍然像是一个"黑盒子"。本文将带你从零开始,实现一个简易版的 React,重点解析其核心的 Fiber 架构和协调算法。通过这个实践过程,你不仅能深入理解 React 的工作原理,还能掌握如何构建自己的虚拟 DOM 系统。

一、React 核心概念解析

1.1 虚拟 DOM 的本质

虚拟 DOM 并不是 React 的专利,而是一种编程概念。它本质上是一个轻量级的 JavaScript 对象,用来描述真实的 DOM 结构。让我们先来看看虚拟 DOM 的基本结构:

// 虚拟 DOM 节点的基本结构
const virtualNode = {
  type: 'div',           // 元素类型
  props: {               // 属性对象
    className: 'container',
    children: [
      {
        type: 'h1',
        props: {
          children: 'Hello, World!'
        }
      }
    ]
  }
};

1.2 Fiber 架构的革命性

React 16 引入的 Fiber 架构是一次重大的重构。与之前的 Stack Reconciler 不同,Fiber 架构将渲染工作拆分成多个可中断的小任务,这使得 React 能够:

  1. 可中断渲染:在浏览器空闲时执行任务
  2. 优先级调度:高优先级更新可以打断低优先级更新
  3. 更好的错误处理:引入错误边界概念

二、实现简易版 React 核心

2.1 创建虚拟 DOM 创建函数

首先,让我们实现一个类似 JSX 的虚拟 DOM 创建函数:

// 创建虚拟 DOM 元素的函数
function createElement(type, props, ...children) {
  return {
    type,
    props: {
      ...props,
      children: children.map(child =>
        typeof child === 'object'
          ? child
          : createTextElement(child)
      ),
    },
  };
}

// 创建文本元素
function createTextElement(text) {
  return {
    type: 'TEXT_ELEMENT',
    props: {
      nodeValue: text,
      children: [],
    },
  };
}

// 示例:创建虚拟 DOM
const element = createElement(
  'div',
  { id: 'app' },
  createElement('h1', null, 'Hello'),
  createElement('p', null, 'World')
);

2.2 实现首次渲染

接下来,我们实现将虚拟 DOM 渲染到真实 DOM 的功能:

// 渲染函数
function render(element, container) {
  const dom = element.type === 'TEXT_ELEMENT'
    ? document.createTextNode('')
    : document.createElement(element.type);

  // 设置属性
  const isProperty = key => key !== 'children';
  Object.keys(element.props)
    .filter(isProperty)
    .forEach(name => {
      dom[name] = element.props[name];
    });

  // 递归渲染子元素
  element.props.children.forEach(child =>
    render(child, dom)
  );

  container.appendChild(dom);
}

// 使用示例
const App = createElement(
  'div',
  { className: 'app' },
  createElement('h1', null, 'Mini React'),
  createElement('p', null, 'This is a simple implementation')
);

render(App, document.getElementById('root'));

三、深入 Fiber 架构实现

3.1 Fiber 节点的数据结构

Fiber 是 React 中的最小工作单元,让我们定义它的结构:

// Fiber 节点结构
class FiberNode {
  constructor(type, props) {
    this.type = type;           // 节点类型(组件、DOM 节点等)
    this.props = props;         // 属性
    this.dom = null;            // 对应的真实 DOM
    this.parent = null;         // 父 Fiber
    this.child = null;          // 第一个子 Fiber
    this.sibling = null;        // 兄弟 Fiber
    this.alternate = null;      // 上一次渲染的 Fiber
    this.effectTag = null;      // 副作用标记(PLACEMENT, UPDATE, DELETION)
    this.state = {};            // 状态(用于类组件)
  }
}

3.2 实现 Fiber 协调算法

协调算法(Reconciliation)是 React 的核心,它负责比较新旧虚拟 DOM 的差异:

// 全局变量
let nextUnitOfWork = null;
let wipRoot = null;      // work in progress root
let currentRoot = null;  // 当前渲染的根
let deletions = null;    // 需要删除的节点

// 开始渲染
function render(element, container) {
  wipRoot = {
    dom: container,
    props: {
      children: [element],
    },
    alternate: currentRoot,
  };
  deletions = [];
  nextUnitOfWork = wipRoot;
  
  // 启动工作循环
  requestIdleCallback(workLoop);
}

// 工作循环
function workLoop(deadline) {
  let shouldYield = false;
  while (nextUnitOfWork && !shouldYield) {
    nextUnitOfWork = performUnitOfWork(nextUnitOfWork);
    shouldYield = deadline.timeRemaining() < 1;
  }

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

  requestIdleCallback(workLoop);
}

// 执行单个工作单元
function performUnitOfWork(fiber) {
  // 1. 创建 DOM(如果不存在)
  if (!fiber.dom) {
    fiber.dom = createDom(fiber);
  }

  // 2. 协调子元素
  reconcileChildren(fiber, fiber.props.children);

  // 3. 返回下一个工作单元
  if (fiber.child) {
    return fiber.child;
  }
  
  let nextFiber = fiber;
  while (nextFiber) {
    if (nextFiber.sibling) {
      return nextFiber.sibling;
    }
    nextFiber = nextFiber.parent;
  }
}

// 创建真实 DOM
function createDom(fiber) {
  const dom = fiber.type === 'TEXT_ELEMENT'
    ? document.createTextNode('')
    : document.createElement(fiber.type);

  updateDom(dom, {}, fiber.props);
  return dom;
}

// 协调子节点
function reconcileChildren(wipFiber, elements) {
  let index = 0;
  let oldFiber = wipFiber.alternate && wipFiber.alternate.child;
  let prevSibling = null;

  while (index < elements.length || oldFiber != null) {
    const element = elements[index];
    let newFiber = null;

    // 比较新旧 Fiber
    const sameType = oldFiber && element && element.type === oldFiber.type;

    if (sameType) {
      // 类型相同,更新属性
      newFiber = {
        type: oldFiber.type,
        props: element.props,
        dom: oldFiber.dom,
        parent: wipFiber,
        alternate: oldFiber,
        effectTag: 'UPDATE',
      };
    }
    
    if (element && !sameType) {
      // 类型不同,创建新节点
      newFiber = {
        type: element.type,
        props: element.props,
        dom: null,
        parent: wipFiber,
        alternate: null,
        effectTag: 'PLACEMENT',
      };
    }
    
    if (oldFiber && !sameType) {
      // 删除旧节点
      oldFiber.effectTag = 'DELETION';
      deletions.push(oldFiber);
    }

    if (oldFiber) {
      oldFiber = oldFiber.sibling;
    }

    if (newFiber) {
      if (index === 0) {
        wipFiber.child = newFiber;
      } else {
        prevSibling.sibling = newFiber;
      }
      prevSibling = newFiber;
    }

    index++;
  }
}

3.3 提交更新到 DOM

协调完成后,我们需要将变更提交到真实的 DOM:

// 提交根节点
function commitRoot() {
  deletions.forEach(commitWork);
  commitWork(wipRoot.child);
  currentRoot = wipRoot;
  wipRoot = null;
}

// 提交单个 Fiber
function commitWork(fiber) {
  if (!fiber) return;

  let domParentFiber = fiber.parent;
  while (!domParentFiber.dom) {
    domParentFiber = domParentFiber.parent;
  }
  const domParent = domParentFiber.dom;

  if (fiber.effectTag === 'PLACEMENT' && fiber.dom != null) {
    domParent.appendChild(fiber.dom);
  } else if (fiber.effectTag === 'UPDATE' && fiber.dom != null) {
    updateDom(fiber.dom, fiber.alternate.props, fiber.props);
  } else if (fiber.effectTag === 'DELETION